二维直接Z型异质结，凭借二维材料原子级厚度、高比表面积、短载流子迁移距离等特性，通过内置电场驱动定向电荷转移，并且无需电子介质，既实现高效载流子分离，又保留强氧化还原能力，在光催化制氢、CO₂还原等领域展现出巨大潜力，成为当前能源催化领域的前沿热点。近日，百合小说 赵强教授、王龙禄教授团队对二维直接Z型异质结的工作机制和实际应用进行归纳总结。在国际知名学术期刊《ACS Nano》上发表了题为“Two-Dimensional Direct Z-Scheme Heterojunction Photocatalysts for Highly Efficient Energy Conversion and Chemical Synthesis”的重要综述。

该综述系统探讨了二维直接Z型异质结光催化剂的形成机制、四大核心光催化应用（光催化分解水、CO₂还原、固氮、H₂O₂合成）、通用优化策略，以及基于NAMD的电荷转移动力学解析框架与机器学习—高通量计算的辅助设计体系，重点总结了二维直接Z型异质结在不同光催化领域的应用及其在提升载流子分离效率、强化氧化还原能力、优化产物选择性等实际应用中的推动作用，分析了NAMD在揭示异质结界面超快电荷转移竞争机制中的关键作用，以及机器学习在预测能带排列、界面稳定性、加速新型高效材料筛选与设计中的核心价值。同时，本文强调了当前面临的挑战和内在局限性，包括电荷动力学细节解析不充分、催化效率与长期稳定性有待提升、特定产物选择性调控难度大、高质量材料数据集稀缺、机器学习模型可解释性不足等，并提出了相关的未来研究趋势：包括开发先进原位表征技术与多尺度精准模拟方法；深化多策略协同优化以实现催化性能全面提升；构建覆盖成分—结构—性能的二维异质结专用高质量数据库；开发融合物理机制与结构特征的综合性机器学习模型；推进光催化研究报告的标准化以保障研究可重复性。这些见解可以启发研究人员开发新颖有效的策略，以促进二维直接Z型异质结光催化剂的未来发展。

图1二维直接Z型异质结在四个关键能量转换和化学合成应用中的最新进展：光催化分解水、CO₂还原、N₂固定和H₂O₂合成。为了提升催化活性、选择性和稳定性，广泛采用了多种策略，如能带工程、界面工程、缺陷工程、应变工程以及活性位点修饰等。这些策略的有效性已通过多尺度表征技术得到验证，包括密度泛函理论计算、X射线光电子谱、莫特-肖特基分析、瞬态光电流/光致发光光谱和电子顺磁共振光谱等。

图2：二维Z型异质结研究的趋势。图2a：展示了过去10年中涉及“异质结”和“二维异质结”的论文数量增长趋势。自2014年以来，相关论文数量显著增加，表明二维异质结研究中的应用越来越受到关注。图2b：展示了“二维异质结”和“二维Z型异质结”的论文数量增长趋势，说明二维Z型异质结已成为光催化领域的重要研究热点。图2c：列举了近年来二维Z型异质结的代表性工作，进一步揭示了该领域的发展轨迹和研究重点：基于多样化的二维材料，结合精细界面构造、助催化剂改性和掺杂等策略，深入研究和利用直接Z型电荷转移机制，实现高性能光催化能量转换与化学合成。

百合小说 为第一通讯单位，该工作第一作者/通讯作者为百合小说 王始彦老师，王龙禄教授、赵强教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金面上项目，江苏省高校自然科学基金、江苏省碳达峰中和科技创新专项资金，百合小说 高水平人才启动基金等项目资助。

原文链接：//doi.org/10.1021/acsnano.5c18705