为了创建一个全球碳中和的社会，迫切需要可持续的能源系统来取代化石燃料。自然界中的光合作用通过光系统 II (PSII) 和光系统 I (PSI) 在太阳能驱动下将 CO₂ 和 H₂O 转化为碳水化合物和 O₂。受光合作用功能的启发，包括水分解、CO₂ 还原和 固N₂在内的化学过程可以通过人工光合作用 (AP) 进行复制。自2004年发现第一个单层石墨烯(GR)以来，许多类似石墨烯的二维 (2D) 材料包括金属氧化物/硫族化合物和无金属材料（石墨烯衍生物、石墨碳氮化物（g- C3N4)、黑磷 (BP)、共价有机骨架 (COF) 等)，由于其独特的物理化学性质，引起了人们对人工光合系统的广泛关注。人工光合系统中的二维材料可以作为光吸收体捕获太阳光，同时产生高能态电子-空穴对。由于二维材料纳米级厚度的优点，光生电子可以迅速转移到助催化剂进行还原反应（HER、CO₂ 还原和 固N₂等），而光生空穴可以快速传递到水氧化催化剂上进行OER。除了光生载流子的快速迁移外，二维材料的大比表面积本身可以提供更多的活性位点，从而促进其催化活性。此外，二维材料的平面结构允许通过各种人工光合作用策略对其进行化学修饰。

有鉴于此，西湖大学孙立成院士等人，综述了用于人工光合作用合成太阳能燃料的2D材料的研究进展。

本文要点

1）从形貌控制的角度来看，构建具有不同结构的二维材料基光催化剂是调节其性能的有效策略之一。虽然将二维材料组装成多层结构有利于光催化反应的进行，但界面工程的不可控限制了其进一步的改进。因此，将二维材料的厚度降低到原子级是另一种有效的调节材料性能的策略。该策略可以加速电子向面内转移，同时减少光生载流子的复合。此外，原子厚度的二维材料的超薄性质导致更多内部原子的暴露，这些原子从超薄二维层的晶格中部分逃逸导致表面空位的形成。在某些情况下，空位也被报道为电子-空穴对的复合中心，导致参与光催化反应的载流子密度降低。因此，探索在二维材料中以合适的密度创造理想空位的有效方法对于高效光催化剂来说意义重大，也是强烈需要的。与空位策略类似，外来元素掺杂包括金属掺杂（Rh、Pt、Co 等）和非金属掺杂（C、B、N、P 等）也被证明可以拓宽可见光吸收，同时通过能带取向调控调整二维光催化剂的电子结构。

2）目前，在实验室条件下，以二维材料为基础的人工光合作用在促进光催化解水、CO₂还原和固N₂性能方面取得了许多突破，但工业应用尚处于起步阶段。缺乏可精确控制层数和原子结构的二维材料的大规模生产的简易和经济技术是一个不可忽视的因素。此外，在光催化CO₂还原方面，产品主要限于C1化学品，而不是具有更高能量密度和市场价值的C2+化学品。与传统化石燃料相比，光催化CO₂还原获得的C1碳基产品的经济优势并不明显。另一个问题是由于N≡N三键能高，N₂在催化位点上的吸附和活化较弱，导致固N₂的光催化活性相对较低，远低于实际应用的要求。

参考文献：

Jian Du et al. 2D materials for solar fuels via artificial photosynthesis. National Science Review, 2021.

DOI: 10.1093/nsr/nwab116

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab116