第一作者：朱海博士、蔡思

通讯作者：黄羽教授、金士威教授、夏帆教授

通讯单位：中国地质大学（武汉）、中南民族大学

DOI：10.1021/acscatal.1c04049

  全文速览  

润湿性和光催化是界面科学中的两个重要性质。通过对表面的润湿性进行调控，光催化的性能或应用也随之变化。在此综述中，我们总结了自然界中具有特殊润湿性的生物体（如鱼鳞，贻贝，荷叶，玫瑰花瓣，沙漠甲壳虫，猪笼草，跳虫）和相应的润湿模型。紧接着，我们讨论了二氧化钛（TiO₂）和石墨氮化碳（g-C₃N₄）的光催化机理。最后，系统介绍了具有（超）亲水性、（超）疏水性、图案化润湿性、响应型润湿性、双面润湿性、超滑性和超疏油性的光催化材料及其一系列应用，如自清洁、降解、水净化、抗菌、产氢气或氧气、CO₂还原、固氮等。

  背景介绍  

光催化是一种将光能转化为化学能的绿色可持续技术，而其催化效率受表面的润湿性的影响。近些年，中国地质大学（武汉）夏帆教授课题组和中南民族大学金士威教授对超润湿性的光催化剂进行了一系列的研究，如超疏水光催化材料（Nanoscale, 2020, 12, 11455；NPG Asia Materials, 2021, 13, 47），响应性润湿性光催化材料（Cell Reports Physical Science, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100669），图案化润湿性光催化材料（Water Research，2021, 206, 117759）。基于此，夏帆教授课题组和金士威教授课题组归纳总结了近些年来基于润湿性改性的光催化材料的研究进展（ACS Catalysis, 2021, 11, 14751）。

  图文解析  

图1.七种具有不同润湿性的自然生物：（超）亲水鱼鳞和贻贝、超疏水荷叶和玫瑰花瓣、图案化润湿性沙漠甲虫、超滑猪笼草和疏油跳虫。

 

图2. 润湿性模型：Young模型、Wenzel模型，Cassie模型，Wenzel-Cassie模型，“Lotus”模型，“Gecko”模型，还有表面自由能和润湿性的关系。

 

图3：特殊的超润湿模型：超亲水性/水下超疏油性、（超）疏水性-（超）亲水性、响应型超润湿性、双面超润湿性、滑动性和超双疏性。

 

图4：光催化机理：二氧化钛（TiO₂）和石墨氮化碳（g-C₃N₄）。

 

图5：亲水光催化剂：利用超亲水性和光催化性实现产氢和二氧化碳还原。

 

图6. 超疏水光催化剂：利用超疏水和光催化实现自清洁和抗污。

 

图7. 超疏水光催化剂：利用超疏水表面上的空气层实现三相催化。

 

图8. 图案化润湿性光催化剂：利用光催化，制备图案化超润湿表面，实现水汽收集。

 

图9. 图案化润湿性光催化剂：利用光催化，制备图案化超润湿表面，通过富集效果实现生物传感。

 

图10. 响应型润湿性光催化剂：利用光催化，调控表面润湿性的变化，从而实现油水分离和光降解。

 

图11. 双面润湿性光催化剂：利用双面润湿，同时实现二相、三相催化，提高产氧效率。

 

图12. 超滑光催化剂：利用超滑性和光催化性，实现防污和自清洁。

 

图13. 超双疏光催化剂：利用超双疏表面上的空气层结构，实现三相催化，从而降解一氧化氮。

 

  总结与展望  

虽然超润湿光催化剂在近些年有了一定的发展，但是相关研究仍处于初级阶段，许多问题仍然需要解决，例如，如何催化剂表面的结构和化学成分稳定？超润湿光催化材料的造价和环境因素如何？润湿性如何微观尺度上影响催化过程？催化效率如何定量化比较等。对光催化材料进行润湿性改性是未来研究的热点之一。

此论文还得到中国地质大学（武汉）的廖光福教授、临沂大学的高中锋教授、中南民族大学的闵雪红博士的大力帮助。这项工作得到了国家自然科学基金（22090050, 21874121, 51803194）的支持及浙江省自然科学基金项目（LD21B050001, LY20B050002）的资助。

  第一作者介绍  

朱海，中国地质大学（武汉）材料与化学学院博士，导师为夏帆教授。主要研究界面材料在环境化学中的应用，目前以第一作者身份发表SCI论文10余篇，如ACS Catalysis、Water Research、Cell Reports Physical Science、NPG Asia Materials、Applied Materials Today等，H因子12。E-mail：zhuhaizh16@163.com。

蔡思，女，硕士研究生，现为中南民族大学化学与材料科学学院的硕士研究生，2019年6月获得武汉工程大学化学工程与工艺专业的学士学位。主要研究方向为超润湿光催化剂的设计。

  通讯作者介绍  

黄羽，中国地质大学（武汉）材料与化学学院研究员、博士生导师。获湖北省高层次人才引进计划支持，湖北省“楚天学者计划”楚天学子。长期围绕微/纳结构测量界面对系列环境、生物相关靶标的高灵敏度检测，进行深入的研究工作，已发表（含接收）SCI论文30余篇，SCI总引1500 余次，H因子20。研究成果受到国内外同行的关注，多次被Chem. Soc. Rev., Chem. Rev., Adv. Mater., Anal. Chem., Advanced Science News等期刊或网站报道。

金士威，中南民族大学化学与材料科学学院副院长、教授。主要研究方向为化工新工艺开发、化工污染控制技术及新型有机污染物的分析与毒性评价。主持与多项省部级纵向课题和10多项横向课题，在国内外学术期刊上发表论文50余篇，其中SCI、EI收录20余多篇。

夏帆，中国地质大学（武汉）材料与化学学院院长、教授、博导。主要从事生物传感器、生物分子响应性纳米孔道、界面超润湿调控等研究，取得了多项创新成果。迄今为止，已发表SCI 论文150余篇，总被引9000余次，H因子50。获得多项荣誉，如国家自然科学基金委重大项目（2020）、国家自然科学基金委“国家杰出青年基金”（2015）、国务院政府特殊津贴（2018）等。

  文献来源  

Hai Zhu,^⊥ Si Cai,^⊥ Guangfu Liao, Zhong Feng Gao, Xuehong Min, Yu Huang,* Shiwei Jin*, and Fan Xia*. Recent Advances in Photocatalysis Based on Bioinspired Superwettabilities. ACS Catal. 2021, 11, 14751-14771.

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c04049