第一作者：Xianshun Sun
通讯作者：张晓东教授，谢毅院士
通讯单位：中国科学技术大学
利用经济、清洁的太阳能进行光催化有机合成，可以显著降低化石能源消耗和环境污染，但仍存在转化率低、选择性差的问题。通过引入空位，功能改性，结构杂化和结构畸变等表面缺陷工程设计高效的二维（2D）光催化剂是提高转化效率和相关光催化反应选择性的有效策略。近日，中科大谢毅院士，张晓东教授等人综述了近年来表面缺陷工程在二维光催化剂有机合成中的作用。详细介绍了一系列选择性有机反应和CO2转化为有价值的有机化合物及其相应的机理，阐明了引入的缺陷与二维光催化剂光催化性能之间的关系。最后，作者提出了通过表面缺陷工程设计有机合成高效二维光催化剂的难题和挑战以及可能的解决方案。
文章要点：
1）作者以二维半导体基光催化剂为例，综述了空位、功能修饰、杂化结构和结构畸变四种表面缺陷工程策略。这些引入的缺陷对光催化有机反应具有积极的作用，如扩大光吸收范围，促进电子-空穴的分离和传输，调节光致激子过程，促进气体吸附和活化过程，这些都是光催化过程中的关键步骤。
2）在光催化有机反应方面，作者综述了醇转化为醛、硫醚转化为亚砜、胺转化为亚胺、CO2转化为甲醇、甲烷和碳酸二甲酯等一系列受缺陷工程策略影响较大的光催化有机反应。同时，详细阐述了不同反应的相应机理，以便更好地理解整个光催化过程。
3）尽管先进的缺陷二维光催化剂取得了这些成功，但仍有许多困难和挑战需要解决。例如，在某些条件下，缺陷可能在光催化过程中作为电子-空穴对的可能复合中心。因此，准确了解缺陷在不同催化剂中的作用是极其重要的。通过借助ESR、X射线光电子能谱和STEM等有效表征技术，已经对二维光催化剂中的各种表面缺陷进行研究，并发现了它们在改善光催化活性中的关键作用。然而，现有的表征技术只能证明缺陷的存在，很难阐明各种缺陷的种类和浓度以及它们对应的局部原子环境。从这个意义上讲，缺陷的精确表征和在催化过程中其功能的深刻阐明仍然具有挑战性。此外，基于理论计算的模拟模型并不能反映催化剂的真实结构。因此，先进的技术，特别是原位观察，应该发展到评估光催化过程中的活性位点和催化机理，这对于设计有缺陷的结构，甚至在总体上促进材料科学具有重要的价值。最后，通过宏观调整均值来调整微观结构以获得特定的单形仍然是一个挑战。引入缺陷的位置，浓度和类型都取决于大量的外部条件和材料的固有特性，这将直接决定光催化性能。因此，开发更先进的表征技术对于精确设计二维材料中的缺陷结构至关重要，这有助于减少催化过程中的负面影响，如缺陷作为电子-空穴对的复合中心。
4）作者认为借助高效的2D光催化剂，通过温和条件下的光催化有机反应有望代替传统高温高压下且具有巨大能耗和环境污染的工业有机合成。作者相信未来，高效的2D光催化材料将被广泛开发和设计用于有机合成中的反应。
Xianshun Sun, Xiaodong Zhang, Yi Xie, Surface Defects in Two-Dimensional Photocatalysts for Efficient Organic Synthesis, Matter, 2020
DOI：10.1016/j.matt.2020.02.006.
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.006.
