《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Core-shell structured materials for photocatalysis: Understanding the structure-performance correlation
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核心壳结构材料在光催化中的应用及结构性能关系研究，系统综述了模板法与无模板合成策略，分析了异质结嵌入、暴露面工程、缺陷调控和形貌优化等性能提升方法，探讨了材料物理化学特性与光催化效率、稳定性及选择性之间的关联机制，并展望了其在污染物降解、二氧化碳还原和氢气生成等领域的应用前景。
向玉佳|陈硕|张燕|张静|何传书|熊照坤|周鹏|赖波
中国四川大学建筑与环境学院水利与山地河流工程国家重点实验室，成都610065
摘要
具有独特物理和化学性质的核心-壳层结构材料，在光催化领域展现了广泛的应用潜力。然而，核心-壳层结构材料与其在光催化反应中的性能之间的关系仍不明确。本文综述了核心-壳层结构材料可控合成的最新进展，以及针对光催化应用的各种优化策略。核心-壳层结构材料的制备策略主要分为两类：模板法和非模板法。此外，还讨论了通过嵌入异质结构、调控暴露面、构造缺陷和调节形貌等优化方法来提高催化反应的效率和稳定性。详细介绍了核心-壳层结构材料在光催化污染物降解、光催化二氧化碳还原和光催化氢气生成等领域的应用。最后，本文总结了核心-壳层结构材料的结构-性能关系，并对未来研究方向和发展机遇进行了展望。这一综合性综述旨在为合理设计和应用核心-壳层结构材料提供重要指导，这些材料对于高性能催化系统的进步至关重要。
引言
随着全球人口和生活水平的提高，对能源和消费品的需求不断增加，给地球带来了巨大压力。能源短缺和环境污染已成为社会进步和人类生存面临的主要挑战[1,2]。作为地球上最丰富、最可持续且最易获取的能源形式，太阳能被广泛认为是最有前景的能源之一[3,4]。每年到达地球表面的太阳能总量约为15,575至49,387艾焦（EJ），远超全球年总能源消耗量（55.98艾焦），显示出太阳能支持人类社会可持续发展的巨大潜力[5]。科学家们致力于开发创新技术以充分利用太阳能。他们希望充分利用这些技术促进高效且环保的过程[6]。其中，光催化技术是一种广泛应用且前景广阔的策略，既能促进太阳能燃料的生产，又能促进特定化学反应。通过这些过程，太阳能可以有效地转化为可储存和利用的化学能[7,8]。在这些光化学过程中，催化剂在能量转换中起着关键作用。催化剂通过吸收光子并产生激发态来驱动和加速光催化反应[9,10]。这一过程最终实现了能量转换的循环。
光催化反应的效率主要取决于光吸收、电荷分离和表面氧化还原反应。这些步骤的有效进展与催化剂的物理和化学性质密切相关[11]。因此，调节催化剂性质对优化光催化过程至关重要，从而实现太阳能向化学能的有效转化[12]。理想的光催化剂应具备多种关键特性，如高效的光捕获能力、丰富的表面活性位点、适当的导带（CB）和价带（VB）位置，以及优异的光生载流子分离能力。为了进一步精细调节催化剂性质，近期研究集中在带隙调节、元素掺杂、缺陷工程和形貌控制等策略上[[13], [14], [15], [16]]。然而，催化剂的聚集是限制其性能的主要瓶颈，导致光利用不足、电荷复合加剧和活性位点减少[11]。为了克服这一限制，迫切需要改进催化剂的结构设计和制备方法，以满足光催化过程的严格要求。
广义上讲，核心-壳层结构通常定义为由两种不同材料组成的复合纳米材料，即内核和外壳。它包括经典的核心-壳层结构、蛋黄壳结构和中空结构（图1）[[18], [19], [20]]。由于其可调的组成和灵活的结构，核心-壳层催化剂在光催化领域受到了越来越多的关注。如图S1（支持信息）所示，核心-壳层结构的光催化剂提供了自支撑的3D结构，增强了结构稳定性，有效防止了反应过程中的催化剂聚集。此外，核心-壳层催化剂还有三个主要优点：（1）内外表面的共存使得比表面积较大，从而增强了表面反应；（2）空隙空间允许光线在壳层内部反射，提高了光利用率；（3）可控的壳层厚度调节了电荷的扩散距离，促进了电荷转移；（4）核心与壳层的协同效应提高了光催化反应的效率和/或选择性；（5）核心和壳层的组合特性有利于拓宽潜在应用范围。
过去十年中，已有许多关于核心-壳层结构光催化剂合成和应用的高质量综述（见支持信息中的图S2）。然而，现有综述尚未充分关注核心-壳层光催化剂的物理化学性质与其光催化过程之间的关键机制，这构成了一个重要空白（见图S2b）。这一知识空白在于对催化剂性质（如界面带结构、缺陷状态）对光生载流子分离、界面迁移和表面反应动力学等核心步骤影响的解释不足。深入理解结构-活性关系对于克服现有效率限制和推动催化剂的合理设计具有重要意义。在本综述中，我们首先简要介绍了核心-壳层结构材料的合成策略，然后讨论了提高其光催化性能的优化策略。随后，探讨了核心-壳层结构材料在光催化反应中的基本结构-性能关系，以展示相关研究趋势。本文旨在为核心-壳层光催化剂的设计和制备提供指导，从而促进更可持续的太阳能转化。此外，我们希望这种关于优化表面策略和结构-活性关系的系统总结和讨论不仅在光催化领域发挥重要作用，也在电催化和热催化领域具有重要意义。
核心-壳层结构材料制备方法的调控
核心-壳层结构材料的性能由其结构、尺寸和组成决定，这些可以通过调整制备过程来定制。通过合成具有特定空间分布和设计组成的核心-壳层光催化剂，可以很好地控制各层之间的相互作用，从而调节其应用性能。然而，人们普遍认为，随着目标结构复杂性的增加，合成难度也随之增加
核心-壳层结构材料的优化策略
光催化剂的设计对其光催化性能至关重要。与传统光催化剂相比，3D核心-壳层结构光催化剂具有多个独特特性，如极大的表面积、丰富的活性位点、可调节的壳层厚度和多种壳层数。这些独特特性使核心-壳层结构光催化剂在光催化应用中具有明显优势。核心-壳层结构材料与光催化的性能关系
目前，通过精确的合成过程已经开发出多种具有不同组成和结构特性的核心-壳层材料。然而，目前对其结构性质与具体应用性能之间关系的理解仍不够充分。本节系统地探讨了结构与性能之间的关联，为设计核心-壳层材料提供了重要指导。结论与展望
核心-壳层结构材料在光催化领域展现了非凡的应用潜力，被认为是解决环境和能源问题的重要工具。本文对核心-壳层结构材料在光催化中的应用进行了开创性的系统回顾和分析，并对其进行了全面总结。综述了模板法和非模板法，并展示了不同催化剂形貌的实例。随后，讨论了
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向玉佳：撰写 – 综述与编辑、撰写 – 原稿、验证、研究、数据分析。陈硕：研究、数据分析。张燕：研究、数据分析。张静：指导。何传书：指导。熊照坤：指导。周鹏：撰写 – 综述与编辑、撰写 – 原稿、指导。赖波：撰写 – 综述与编辑、指导、项目管理和资金争取。
