纳米级半导体作为光/电催化剂在能源和环境领域具有广泛应用。由于缺乏有利结构，往往存在易于聚集以及光生电子-空穴对复合迅速等缺点。受大自然的启发，人们致力于设计具有协同效应的二元、三元和多组分分级纳米复合材料。由于碳纳米管(CNT)独特的一维特性产生的迷人电学和光学性质，其得到广泛应用。上述性质对于表面反应和电荷传输过程是有益的。为利用半导体装饰CNT，通常采取原位溶剂热策略，难以选择性地控制CNT上半导体的生长位点，并且也难以避免自由成核和生长。

图1  叶绿体结构催化剂的设计原理

叶绿体结构的俯视图(左)和CNT互联非连续分布半导体的结构(右)。

图2  叶绿体结构CNT-TiO₂的形貌与晶体结构表征

a,b) 所制备的CNT-TiO₂的TEM图像；

c) 所制备的CNT-TiO₂的HRTEM图像，内插为SAED图像；

d) 所制备的CNT-TiO₂的XRD图谱；

e-1) 在给定微波加热时间和温度下制备不同的CNT-TiO₂样品及其相应的FESEM图像。

图3  CNT-TiO₂催化剂的叶绿体结构促进电子传输以及提高光催化NO氧化性能

a) CT材料的SEM图像；

b) f-CT材料的SEM图像；

c) CT-mx材料的SEM图像；

d) 样品CT、f -CT和CT-mx的紫外光驱动的光催化NO氧化性能；

e) 样品CT、f -CT和CT-mx的电化学阻抗谱(EIS)，内插为等效电路模型；

f) 样品CT、f -CT和CT-mx的光电流谱；

g) 样品CT、f -CT和CT-mx的时间分辨瞬态光致发光衰减曲线；

h) 样品CT、f-CT和CT-mx形貌以及光生载流子分离过程的示意图。

图4  CNT的微波效应

a,b) 以微波辐射(800 W)或油浴(90 ℃)为加热源，在有无CNT和PTFE(100mg)的情况下DMSO溶液(200 mL)的温度随加热时间的变化；

c) TiCl₃溶液的紫外-可见光谱；

d) 微波辐射和高压釜水热加热下Ti³⁺浓度随温度的变化。

图5  表面官能团影响CNT的微波天线性能

a) HNO₃预处理0、30、60、120和240 min后CNT的FT-IR光谱；

b) 在有无不同CNT的情况下，DMSO溶液(200mL)的温度与微波辐射时间的关系图；

c) 加热温度50 ℃保持20 min，在微波辐射和高压釜水热加热下，Ti³⁺浓度随CNTs酸预处理时间的变化；

d,g) 使用未处理和HNO₃预处理240 min的CNT制备的CNT-(001)和(010)面暴露锐钛矿TiO₂纳米立方体的FESEM图像；

e,h) 使用未处理和HNO₃预处理240 min的CNT制备的CNT交联(001)和(101)面暴露的锐钛矿TiO₂纳米立方体的FESEM图像；

f,i) 使用未处理和HNO₃预处理240 min的CNT制备的CNT交联金红石TiO₂纳米花的FESEM图像。

图6  光催化机理

a) CNT-TiO₂制备工艺的示意图；

b) 叶绿体光合作用机理(左)和叶绿体结构CNTs-TiO₂的光催化NO去除机理。

综上所述，作者模拟叶绿体开发了一种普适性微波天线策略，用于原位合成非连续分布的CNT互联纳米半导体复合材料。将具有强吸收微波能力的CNT的一维材料用作微波天线，以产生高温局部表面“超热”点。上述“超热”点将诱导金属离子的吸附、水解或配位，随后成核，晶体生长和自组装成具有CNT互联金属氧化物或金属有机骨架(MOF)纳米晶体的独特结构。在CNT-TiO₂纳米复合材料中，与叶绿体类似，交联的CNT提供了电子传导途径，促进了气相反应中的光催化性能。上述新型微波天线策略可扩展到其他一维二元或三元纳米复合材料的原位制备，甚至是结构可控二维或三维叶绿体结构纳米复合材料，可为其在环境和能源领域的应用提供更多机会。

文献链接：A chloroplast structured photocatalyst enabled by microwave synthesis (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09509-y)