南京林业大学邱健豪、姚建峰等Renew. Sust. Energ. Rev. 纤维素对半导体的改性策略及光催化应用
背景介绍
半导体光催化技术作为缓解环境污染和能源危机问题的有效手段之一，已经被广为研究。然而光催化效率严重受限于光生载荷子的快速复合和有限的活性位点，构筑复合材料及缩小催化剂尺寸至纳米级是解决上述问题的有效途径。尽管如此，从实用角度上来看依然存在以下挑战：1）催化剂颗粒易于团聚；2）催化剂回收困难；3）光催化剂主要以无机半导体为主，缺乏有机官能团，在一定程度上限制了它们的功能化设计及应用；4）催化剂的成本问题。
基于此，使用有机材料来修饰半导体用作光催化剂提供了新的契机，尤其是选用的有机材料既无毒又经济，符合绿色化学的概念。纤维素（(C6H10O5)n）作为地球上最丰富的可再生天然聚合物，被认为是一种极为理想的有机材料来改性半导体，因其各种优异的性质，包括纤维状结构、稳定且不溶于水。此外，纤维素及其衍生物（如羧基化纤维素）具备各种丰富的官能团，尤其是羟基和羧基。纤维素的纤维状结构及存在的丰富官能团对于半导体表面性质、分散、形貌等的调控起到关键的作用。纤维素还能够牺牲为生物模板来调控半导体的各种性质，最终优化其光催化性能。为了提高光催化技术的实用性，半导体/纤维素光催化材料被加工成了各种宏观形体，如膜、凝胶及纺织物。因此，较为系统和全面地综述该主题对于半导体/纤维素材料构筑的学术和产业研究都极具意义。
南京林业大学邱健豪、姚建峰等人在国际知名期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》（IF：14.982）上发表了题为“Cellulose tailored semiconductors for advanced photocatalysis”的综述文章。该综述研究了纤维素对半导体的改性策略、各种半导体/纤维素宏观形体以及它们的光催化应用，并分析了半导体/纤维素光催化材料的现存挑战和展望。
图文解读
要点一：纤维素改性半导体策略
通过纤维素合理的设计和改性半导体主要分为2种方式：1）纤维素作为助剂；2）纤维素牺牲为生物模板。
纤维素的纤维状结构和表面丰富的官能团能够给半导体带来各种性质和变化。纤维素作为助剂对半导体的作用主要有以下几个方面：亲水效应、分散效应、形貌转变效应和固定效应，这些作用从不同方面充分利用了纤维素的天然优势，以此促进了半导体在光催化反应中的表现。获得高性能光催化剂的另一个策略是牺牲纤维素作为生物模板来改性半导体。纤维素的低成本和独特的碳骨架使得该方法具有很大的研究价值。纤维素牺牲为生物模板来改性半导体主要通过三种方式来实现：空气中煅烧、惰性气体中煅烧和溶剂热。在空气中煅烧能够直接移除纤维素或实现碳掺杂，从而赋予半导体多孔、高比表面积及缩小的禁带宽度；惰性气体下煅烧会将纤维素转变为碳，具备良好的导电性；溶剂热处理既可以直接移除纤维素，也可以将其转变为碳（主要为碳量子点，具有上转换发光特性）。
要点二：半导体/纤维素光催化材料的宏观形体
将科学研究应用于工业生产或实际应用具有重要意义，尤其是绿色材料。虽然光催化剂粉体具有较高的量子效率和反应物可及性，但在实际应用中还需要解决粒子聚集和复杂的催化剂回收等问题。由于纤维素具有高的比表面积、低的密度和介电常数、良好的机械强度、延展性和柔韧性等特性，能够很容易地加工成各种形状和尺寸的宏观形体，包括膜、凝胶和纺织品。这些形体很适合作为半导体颗粒负载的基底，能够实现一些有特色的光催化（催化剂易于回收、作为光催化反应器的器件及自清洁等），具有无可比拟的优势和功能。
要点三：半导体/纤维素材料的光催化应用
由于大多数纤维素不溶于水且具有良好的亲水性，因此对半导体/纤维素光催化材料的应用研究主要集中在以水为介质的反应体系，例如污水处理和分解水产氢。对于污染物处理的研究主要集中在染料、酚类、抗生素、挥发性有机物的降解、杀菌及Cr(VI)还原。
图1 纤维素改性的半导体用于光催化。
挑战与展望
利用纤维素作为助剂或生物模板来改性半导体，具有良好的光催化性能、易于回收等优势，已被证明是一种高效且极具潜力的光催化材料制备策略。尽管如此，半导体/纤维素光催化材料仍面临一些巨大的挑战：1）在较长时间的光催化反应中，纤维素的稳定性是一个问题；2）光催化的应用方向主要集中在污染物处理方面，而在能源再生领域（如产氢和二氧化碳还原）中的应用研究较少；3）可见光尚未得到充分利用；4）纤维素及其衍生物对半导体的功能化改性还有待进一步开发。
基于此，为了实现更高效、先进、成熟的半导体/纤维素光催化技术，提出了一些建议：1）在半导体上构建吸附反应物分子的特定晶面，可以同时提高反应效率和纤维素的稳定性；2）在能源再生或其他化学反应领域需投入更多的研究；3）引入可见光响应的半导体或其它发色基团可以充分利用太阳光；4）纤维素的手性向列性能够赋予半导体先进的、特殊的手性光催化结构；5）污染物的光催化同时去除会产生协同促进作用，如Cr(VI)与染料、酚类或抗生素的协同高效去除；6）一些新的功能材料，如金属有机骨架材料，或许能够给纤维素在光催化方面的应用带来新的机遇。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111820
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