本综述系统阐述了利用时间分辨光谱技术研究光催化中超快载流子动力学的最新进展。文章重点围绕量子点、有机框架材料和传统半导体三类催化剂，深入探讨了其光物理过程与催化性能的内在关联与构效关系。此外，也剖析了当前表征方法在诠释催化性能时面临的挑战与局限，并对未来的研究发展方向进行了展望，旨在为突破光催化效率瓶颈提供理论指导。
中文标题：光催化超快动力学研究：进展与挑战
英文原题：Exploration of ultrafast dynamic processes in photocatalysis: Advances and challenges
通讯作者：
周莹，西南石油大学
郑凯波，瑞典隆德大学
第一作者：
张凤英，西南石油大学
关键词：
光催化；载流子动力学；超快光谱技术；光物理机理；催化性能
背景介绍
随着全球能源与环境问题日益严峻，利用太阳能驱动的光催化技术已成为实现化学品绿色合成和环境净化的关键策略之一。光催化过程的整体量子效率（Φ）由光捕获效率（ΦLH）、电荷分离与收集效率（Φcol）以及表面催化反应效率（Φcat）三者共同决定。其中，连接光能吸收与表面化学反应的桥梁——光生载流子的超快动力学过程（即Φcol），是决定整体效率的关键瓶颈。利用具有高时间分辨率的时间分辨光谱技术，对实时追踪载流子行为、阐明光催化反应机理、并指导高效催化剂的设计至关重要。
研究成果
本综述重点围绕量子点、有机框架材料和传统半导体三类催化剂，深入探讨了这三类主流光催化材料体系中超快载流子动力学如何通过材料设计被调控，并最终影响其催化性能。
1.量子点中载流子动力学过程
量子点因其高吸收系数、尺寸依赖的能带结构及丰富的表面化学等优点，在光催化领域备受关注。综述了超快光谱如何揭示量子点中载流子动力学的调控机制。例如，核/壳结构的构筑（如CdSe/ZnS）能够有效钝化表面缺陷，通过TA光谱证实其可将载流子复合与转移过程从皮秒级进行有效调控。表面配体工程（如InP/ZnS-S2-）则被证明能通过调控表面静电场，实现高效的空穴转移并形成长寿命（> ns）的电荷分离态（图1）。此外，通过与助催化剂的组装，瞬态光谱能够直接捕捉到从量子点到助催化剂（如Re配合物）的超快电子注入过程（~300 fs），为高效的光催化提供了直接的动力学证据。
图1： (a) InP/ZnS-OLA瞬态吸收光谱SVD拟合；(b) InP/ZnS-S2-瞬态吸收光谱SVD拟合；(c) InP/ZnS-S2-量子点的FTIR和TRIR光谱；(d) InP/ZnS-S2-量子点的动力学衰减曲线；(e) 不同配体的InP/ZnS量子点空穴注入动力学示意图
2.有机框架材料中载流子动力学过程
MOFs/COFs以其高度有序的孔道结构、巨大的比表面积和可设计的分子单元，成为一类理想的异相光催化剂平台。例如，在Re-COF杂化体系中，TA光谱揭示了其存在激发能量依赖的电荷转移路径，完美诠释了其波长选择性的催化活性（图2）。在MOF-QDs复合材料中，通过超快光谱光测试发现特定的化学键（如硫醇键）可作为高效的电荷转移“桥梁”，促进界面电荷分离。
图2：TpBpy和Re-TpBpy在(a) 530 nm激发和；(b) 400 nm激发下的TA光谱；(c) CO产率和；(d)不同激发条件下Re-TpBpy的催化性能示意图
3.传统半导体中载流子动力学过程
传统半导体是光催化剂的主力军之一，在光催化领域许多学者对提高其催化活性进行了广泛的研究。例如通过构建助催化剂/半导体界面，有助于电子-空穴分离。研究发现Pd修饰的g-C3N4能更有效地作为电子捕获中心，加速电子转移。除此之外，通过缺陷工程构造表面缺陷（如氧/氮空位）不仅可以作为反应活性位点，更可作为浅势阱捕获载流子，延长载流子寿命，从而提高催化活性。在异质结中，时间分辨光谱技术能够直接观测到Z-scheme或S-scheme异质结界面上超快电荷转移过程（图3），为异质结电荷分离机制提供了最直接的动力学证据，并合理解释了其催化性能大幅提升的原因。
图3： (a,b) CPDB5的TA光谱以及；(c) 光生电子衰减途径的相应示意图；(d) 光催化产氢速率
未来方向
由于光谱测试条件与真实催化反应环境间的差异，以及在复杂体系中电子、空穴及各类中间体信号归属与动力学解耦的困难，未来原位时间分辨光谱技术、多光谱技术联用（如TA与TRIR互补）、以及超快光谱实验与理论计算的协同等前沿方法将占据重要地位，可以更精准地建立从微观载流子行为到宏观催化性能的桥梁。
引用本文
Fengying Zhang, Yuman Jiang, Jiaxin Liu, et al. Exploration of ultrafast dynamic processes in photocatalysis: Advances and challenges. Fundamental Research. 5(6) (2025) 2838-2849.
原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001432
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