由于不断增长的能源消耗和燃烧化石燃料造成的全球变暖威胁，光驱动催化的研究已变得极为重要。在模仿大自然利用太阳能将H2O分解为H2和O2的人工光合作用方面，人们付出了大量的努力。目前正在开发新颖的半导体和分子光催化剂，其集中于通过单组分光催化剂的一步激发过程或模仿自然光合作用的Z-方案的两步激发过程。分析和物理化学方法可提供不同时间和长度范围的信息，用于对导致催化活性的所有过程进行基本了解，例如光吸收，电荷分离，电荷向反应中心的转移和催化转化，以及了解光催化活性材料的降解过程。特别是分子型光催化剂由于反应性中间体的形成而导致降解，长期稳定性仍然有限。
有鉴于此，德国耶拿光子技术研究院Maria Wächtler等人，重点介绍了光谱、光谱电化学和电化学方法在研究半导体和(超)分子光催化剂过程中的潜力。
本文要点
1）特别强调的是光谱方法，以研究顺序电子转移链中间产物的光诱导过程。此外，对主要用于半导体和杂化光催化材料的微观表征方法进行了综述，因为表面积，结构，晶面，缺陷以及诸如结晶度和晶体尺寸的本体性质是电荷分离，转移过程和抑制电荷重组的关键参数。扫描探针显微镜的最新发展也将被重点介绍，因为这种技术非常适合研究光催化活性材料。
2）目前在理解多电子过程和光催化的基本机制方面已经取得了实质性的进展。为了使光驱动光催化在经济上具有竞争力，仍然需要解决诸如效率、稳定性/降解、器件集成等重大挑战。迄今为止，关于光催化剂的降解途径、反应性变化的信息仍然很少，特别是当与异质载体（例如金属氧化物或聚合物）进行界面结合以进行器件开发时。这需要原位和操作光谱，散射和显微技术的进一步发展。尽管光束时间和成本仍然限制了催化研究中更广泛的应用，但同步加速器辐射源的使用改善了空间和时间分辨率。
3）合成化学家、材料科学家、高级分析和物理化学表征方法专家以及理论化学家/物理学家之间的密切协同合作必将使未来的发展受益。特别是，诸如DFT建模和多尺度建模之类的计算研究描述了催化反应并理解了潜在的机理，并深入了解了分子水平以外的分子-材料相互作用，这对于材料的合理设计以及对实验的验证非常重要。量子力学建模必须从很少的原子扩展到嵌入复杂环境中的大型超分子聚集体。例如，连续溶剂化模型可用于预测溶剂化分子的性质和过程。此外，在混合QM/MM方法中，基于分子力学(MM)耦合量子力学方法可替代经典描述被用来模拟光诱导过程。
参考文献：
Christine Kranz et al. Characterizing photocatalysts for water splitting: from atoms to bulk and from slow to ultrafast processes. Chem. Soc. Rev., 2020.
DOI: 10.1039/D0CS00526F
https://doi.org/10.1039/D0CS00526F
