《Coordination Chemistry Reviews》：The multifaceted roles of carbon dots in smart semiconductor photocatalytic systems for solar-driven chemistry
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高效太阳能到化学能转化依赖于半导体光催化系统的智能化发展。碳点（CDs）因其独特的光学、电学和化学性质，成为构建智能光催化系统（SSPS）的核心材料，通过调节反应路径、协同效应和多功能集成显著提升催化性能。本文系统综述了CDs基SSPS在光解水、CO2还原、有机合成及污染物降解等领域的最新进展，重点解析CDs通过表面官能团工程和结构设计实现的光吸收增强、电荷分离效率优化及多反应耦合机制，并探讨当前材料稳定性、规模化应用及未来研究方向。
魏文浩|文一豪|邓若天|朱成|康振辉
材料科学与工程系，广东以色列理工学院，大学路241号，汕头515063，中国
摘要
将太阳能高效转化为化学物质被认为是缓解能源危机和环境问题最具前景的技术之一。智能半导体光催化系统（SSPS）因其在可持续能源生产、绿色化工产业和环境修复方面的潜力而受到广泛关注。这里的“智能”特性指的是SSPS能够调整反应路径、协同多种效应并整合多种功能，从而提升催化性能，超越传统的复合半导体光催化系统（CSPS）。在迄今为止探索的各种纳米材料中，碳点（CDs）因其独特的物理和化学性质（如丰富的官能团、可设计的结构、优异的光学性能、低毒性和高稳定性以及出色的电子转移能力）而成为设计SSPS的理想选择。在这篇综述中，我们总结了利用CDs设计高效SSPS的最新进展，这些SSPS尤其适用于水分解、有机合成、CO2还原反应（CO2RR）和污染物降解等跨学科领域。我们特别强调了CDs在调整反应路径、协同多种效应以及整合多种功能方面的作用，并通过最新案例和应用进行了说明。最后一部分讨论了目前面临的主要挑战，并展望了基于CDs的SSPS的未来发展方向及可行的建议。
引言
工业的快速扩张和人类社会的持续发展导致了化石燃料的大量消耗以及有害排放物的产生，加剧了全球能源危机，并对生态系统构成了严重威胁[1]。这些紧迫的能源和环境挑战凸显了通过先进技术（如清洁能源形式、绿色制造过程和可持续环境治理）革新现有工业系统的紧迫性，以逐步淘汰传统的不可持续做法[2]、[3]。作为模仿自然光合作用的过程，光催化被认为是解决能源和环境问题的最有前途的策略之一，它通过人工催化剂系统实现了太阳能向化学能的直接转化。在典型的光催化过程中，半导体材料在光照（理想情况下为阳光）下吸收光子（能量（hv），生成电子-空穴（e?–h+）对[4]。这些光生载流子随后参与各种类型的化学反应，使得光子能量能够大规模且环保地转化为清洁能源或有价值的化学品[5]。太阳能到化学物质的转化效率（SCC）在很大程度上取决于光的有效利用、光生载流子的有效分离和传输，以及表面化学反应的动力学[6]、[7]。自1972年Fujishima和Honda首次证明TiO2电极可以通过光催化反应分解水以来，半导体光催化技术吸引了大量研究，并已成为在水分解、有机合成、污染物降解和CO2RR等领域具有广泛应用的关键技术[8]、[9]、[10]、[11]。
迄今为止，已经研究了具有不同形态和晶体结构的多种单组分半导体光催化剂，包括氧化物、（氧）氮化物、（氧）硫化物、氧卤化物和聚合物材料[7]、[12]。不幸的是，大多数单组分光催化剂由于光吸收能力弱、电荷分离效率低和催化稳定性不足，难以高效驱动反应[13]、[14]。此外，大多数光催化剂的合成步骤较为复杂，且存在内在毒性和高成本的问题，进一步降低了其在大规模应用中的经济可行性。虽然在实现高效率和稳定性方面是首要目标，但同时考虑长期的成本效益也非常重要。为了解决这些限制，研究人员提出了CSPS，例如通过引入异质结构、共催化剂和多功能界面来拓宽光吸收范围、提高电荷分离效率并加速表面反应动力学[15]、[16]。尽管CSPS可以展现出优于单组分光催化剂的光催化性能，但仅仅通过简单的复合来提高电荷转移效率并不符合本综述所强调的“智能”概念。我们关注的SSPS是具有智能组件和/或功能的系统，其“智能”特性体现在它们能够实现耦合反应、利用协同效应并整合多种功能，从而实现高效稳定的太阳能到化学物质的转化。
碳点（CDs）是一类新型碳纳米材料，自2004年发现以来就受到了广泛关注[17]。近年来，由于其出色的光学性能、导电性、电子提取能力、化学稳定性、无毒性和低成本[18]、[19]、[20]，CDs已成为构建新型光催化系统的理想候选材料。与其他碳纳米材料相比，CDs同时具备量子点、碳材料和有机分子的多种内在特性，允许在分子层面进行设计和调控[21]。CDs的高比表面积和良好的水溶性使其能够均匀分布在各种材料的表面或内部，确保光催化系统中具有单分散的反应位点和多功能性[22]、[23]。通过调整CDs的表面化学性质和电子结构，我们不仅可以提高SSPS的光吸收和电荷分离效率，还可以赋予光催化系统结合不同材料优势的“智能”特性。
本综述介绍了基于CDs的光催化系统（CD-based SSPS）的最新发展，这些系统具有智能属性和功能，应用于水分解、CO2RR、有机合成和污染物降解等领域。全文分为七个部分：第一部分介绍了发展光催化技术的必要性以及CDs在应对能源和环境挑战中的重要性；第二部分讨论了CDs的合成策略和光催化性质及其作为SSPS组件的关键作用；第三部分详细阐述了基于CDs的SSPS的多重反应耦合效应，并通过具体例子说明了相关机制；第四部分探讨了CDs在提升光催化性能方面的协同效应；第五部分概述了这些系统的多功能性和智能特性；第六部分讨论了面临的挑战和未来发展方向；最后一部分总结了基于CDs的SSPS所取得的成就，并对下一代系统的发展提出了展望。
CDs的分类与合成方法
CDs是一种准球形的碳纳米材料，通常尺寸小于10纳米，具有sp2/sp3结构的碳核心（可以是石墨晶格或非晶碳形态），以及带有悬挂键的缺陷边缘[24]。CDs的边缘可以通过各种表面官能团进行定制，例如羟基（–OH）、羧基（–COOH）、氨基（–NH2）、酰胺（–CONH）和醛基（–CHO），这些官能团决定了其独特的物理和化学性质[25]、[26]。至今
CDs的多重反应耦合效应
光诱导的载流子具有多种潜在应用，可以满足具有不同氧化还原电位的多种反应需求，如水氧化（WOR）、氧气还原（ORR）和二氧化碳还原（CO2RR）、化学合成和污染物降解。此外，一些光催化半反应（如WOR、ORR和CO2RR）可以通过多个电子转移步骤进行，产生多种形式的产品（图5）[92]、[93]、[94]、[95]、[96]。具有多重反应耦合效应的SSPS是指能够
协同效应
CDs在多种催化反应中的优异表现引起了人们的关注，其协同效应包括电荷传输效应、光致发光效应、光热效应和压电效应等。这些特性在光催化过程中非常重要，因为它们可以提高电荷分离效率、增强光吸收并加速反应动力学。多功能性
与多重反应耦合效应和协同效应不同，多功能性指的是SSPS在催化过程之外还能带来其他益处。这包括对刺激的自主响应、适应不同的催化环境以及扩展应用场景等。多功能性使光催化剂在复杂条件下更加稳健和灵活。我们在这里找到了一些很好的例子挑战与展望
自从发现半导体光催化水分解技术以来，过去50年里人们在材料特性和反应机制的基础理论研究以及材料设计、合成、工程化和表征方法的发展方面取得了显著成就[97]、[268]、[269]。然而，由于成本等因素，这项技术尚未准备好实现大规模应用结论
总之，基于CDs的智能光催化系统是一类具有巨大潜力的材料，它们在高效性、结构可调性和环境兼容性方面具有独特优势。具体而言，通过利用CDs独特的光学、电学和结构特性，基于CDs的SSPS展现了超越传统光催化剂固有局限性的显著光催化性能。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本项工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515012860）、汕头市科学技术局（项目编号STKJ2024085）、广东省教育厅青年创新人才项目（项目编号2024KQNCX103）、GTIIT常州创新研究院的种子基金（项目编号GCII-Seed-202506）以及广东以色列理工学院的启动资金的财政支持。
