Recent progress and strategies toward solar water splitting over heterogeneous semiconductors are reviewed and the challenges and future perspectives are suggested.

Disorderly Flow Lithium batteries are becoming ever more important in society. While their application used to be confined to portable electronics, they are now becoming the enabling technology for electric vehicles and grid storage for renewables. Generally, the flow of lithium ions into and out of battery electrodes is thought to require ordered materials. Lee et al. (p. 519 , published online 9 January) used a combination of experimental work and computations to identify disordered electrode materials with high Li diffusion. The improved energy density properties could be attributed to compositions with excess lithium beyond the stoichiometric limit, leading to intermixing between the lithium and transition metal sublattices and the formation of a percolation network providing specific lithium transport pathways.

Heterogeneous photocatalysis using semiconductors and renewable solar energy has been regarded as one of the most promising processes to alleviate, and even solve, both the world crises of energy supply and environmental pollution. In the past few years, many encouraging achievements have been made in the research area of graphene‐based semiconductor photocatalysts. Among them, CdS/graphene nanocomposites have attracted extensive attention as an important kind of photocatalyst in chemical and material science, due to its superior photocatalytic activity and photostability under visible‐light irradiation. The aim here is to address the enhancement mechanism of the photocatalytic performance of CdS/graphene composite photocatalysts, and systematically summarize recent progress regarding the design and synthesis of CdS/graphene nanocomposites. These nanocomposites are promising for a great diversity of applications in visible‐light photocatalytic fields, including artificial photosynthetic systems (photocatalytic hydrogen production and CO 2 reduction), environmental remediation, and organic photosynthesis. Special attention is given to the photocatalytic hydrogen production and pollutant photodegradation over CdS/graphene nanocomposite photocatalysts. Furthermore, perspectives on CdS/graphene‐based materials are discussed, including the various remaining challenges for large‐scale applications, identifying prospective areas for related research in this field.

As a green and sustainable technology, heterogeneous photocatalysis using semiconductors has received much attention during the past decades because of its potential to address energy and environmental problems. Among various semiconductors, TiO2 has been regarded as the best and most widely investigated photocatalyst in the past 10 years. Based on the fundamentals of photocatalysis and surface chemistry of TiO2 nanomaterials, we herein summarize and discuss the achievements in the different surface modification strategies employed to date such as surface doping and sensitization, construction of surface heterojunctions, loading of nano-sized co-catalysts, increase in the accessible surface areas, and usage of surface F effects and exposure of highly reactive facets. Especially, the interesting synergistic effects of these different surface modification strategies deserve more attention in the near future. Studying these important advances in photocatalysis fundamentals, and surface chemistry and modification may offer new opportunities for designing highly efficient TiO2-based and non-TiO2-based photocatalysts for solar fuel production, environmental remediation, organic photosynthesis, and other related fields such as solar cell device fabrication, thermal catalysis, and separation and purification.

The shortage of fossil fuels and the disastrous pollution of the environment have led to an increasing interest in artificial photosynthesis. The photocatalytic conversion of CO2 into solar fuel is believed to be one of the best methods to overcome both the energy crisis and environmental problems. It is of significant importance to efficiently manage the surface reactions and the photo-generated charge carriers to maximize the activity and selectivity of semiconductor photocatalysts for photoconversion of CO2 and H2O to solar fuel. To date, a variety of strategies have been developed to boost their photocatalytic activity and selectivity for CO2 photoreduction. Based on the analysis of limited factors in improving the photocatalytic efficiency and selectivity, this review attempts to summarize these strategies and their corresponding design principles, including increased visible-light excitation, promoted charge transfer and separation, enhanced adsorption and activation of CO2, accelerated CO2 reduction kinetics and suppressed undesirable reaction. Furthermore, we not only provide a summary of the recent progress in the rational design and fabrication of highly active and selective photocatalysts for the photoreduction of CO2, but also offer some fundamental insights into designing highly efficient photocatalysts for water splitting or pollutant degradation.

Due to their unique physicochemical, optical and electrical properties, 2D semimetallic or semiconducting graphene has been extensively utilized to construct highly efficient heterojunction photocatalysts for driving a variety of redox reactions under proper light irradiation. In this review, we carefully addressed the fundamental mechanism of heterogeneous photocatalysis, fundamental properties and advantages of graphene in photocatalysis, and classification and comparison of graphene-based heterojunction photocatalysts. Subsequently, we thoroughly highlighted and discussed various graphene-based heterojunction photocatalysts, including Schottky junctions, Type-II heterojunctions, Z-scheme heterojunctions, Van der Waals heterostructures, in plane heterojunctions and multicomponent heterojunctions. Several important photocatalytic applications, such as photocatalytic water splitting (H2 evolution and overall water splitting), degradation of pollutants, carbon dioxide reduction and bacteria disinfection, are also summarized. Through reviewing the important advances on this topic, it may inspire some new ideas for exploiting highly effective graphene-based heterojunction photocatalysts for a number of applications in photocatlysis and other fields, such as photovoltaic, (photo)electrocatalysis, lithium battery, fuel cell, supercapacitor and adsorption separation.

Developing excellent photocatalysts for antibiotics degradation and Cr(VI) reduction is of vital significance but still a big challenge. Herein, novel S-scheme heterojunction of TaON/Bi2MoO6 with a core–shell structure is constructed via an electrospinning-calcination-nitridation approach, where 2D Bi2MoO6 nanosheets are uniformly and firmly anchored on the surface of 1D TaON nanofibers. The optimal TaON/Bi2MoO6 with the TaON/Bi2MoO6 molar ratio of 1:1 manifests the highest catalytic activity towards levofloxacin (LEV) antibiotic degradation and Cr(VI) reduction under visible light. The exceptional photocatalytic performance is probably due to the synergistic effect of the favorable core–shell fiber-shaped structure and S-scheme hetero-structure, which enables the strong interfacial interaction between the constituents for effectively improving the visible-light absorption, boosting the separation and utilization efficiency of electron-hole pairs, and retaining the charge carriers with stronger redox capabilities. Of note, TaON/Bi2MoO6 possesses excellent stability and reusability. Photo-generated h+, •OH, and •O2– are the main reactive species accounting for LEV degradation, the detailed LEV degradation pathways are elucidated by detecting the intermediates using HPLC–MS and the toxicity of the intermediates are assessed by quantitative structure–activity relationship (QSAR) method. In addition, •O2– and e– are primarily responsible for Cr(VI) reduction. Further, a possible photocatalytic reaction mechanism for removal of LEV and Cr(VI) is proposed. This study provides some insights in fabricating high-performance S-scheme heterojunction photocatalysts for the efficient water purification.

In the present research work, the ternary indirect all-solid-state Z-scheme nanoheterojunctions, graphitic-C3N4/reduced graphene oxide/anatase TiO2 (g-C3N4-RGO-TiO2) with highly enhanced photocatalytic performance were successfully prepared via a simple liquid-precipitation strategy. The photocatalytic activities of indirect all-solid-state Z-scheme g-C3N4-RGO-TiO2 nanoheterojunctions were evaluated by the degradation of methylene blue (MB). The results showed that the introduction of RGO as an interfacial mediator into direct Z-scheme g-C3N4-TiO2 nanocomposites can remarkably enhance their photocatalytic activities. The as-obtained indirect all-solid-state Z-scheme g-C3N4-RGO-TiO2 nanoheterojunctions, with the optimal loading amount of 10 wt% RGO, exhibited the highest rate towards the photocatalytic degradation of MB under simulated solar light irradiation. The degradation kinetics of MB can be described by the apparent first-order kinetics model. The highest degradation rate constant of 0.0137 min−1 is about 4.7 and 3.2 times greater than those of the pure g-C3N4 (0.0029 min−1) and direct Z-scheme g-C3N4-TiO2 (0.0043 min−1), respectively. An indirect all-solid-state Z-scheme charge-separation mechanism was proposed based on the photoluminescence spectra and the trapping experiment procedure of the photo-generated active species. It was believed that the indirect all-solid-state Z-scheme charge separation mechanism in g-C3N4-RGO-TiO2 nanoheterojunctions could lead to the promoted charge separation and transfer, improved oxygen-reduction capacity of electrons in g-C3N4 and the formation of hydroxyl radicals driven by the holes in TiO2, respectively, thus achieving the highly enhanced photocatalytic degradation performance. This work might provide new insights and understanding on the graphene as electron mediators to design highly efficient all-solid-state Z-scheme nanoheterojunctions with enhanced visible-light driven photoactivity for various photocatalytic applications.

The construction of exceptionally robust and high-quality semiconductor-cocatalyst heterojunctions remains a grand challenge toward highly efficient and durable solar-to-fuel conversion. Herein, novel graphitic carbon nitride (g-C3N4) nanosheets decorated with multifunctional metallic Ni interface layers and amorphous NiS cocatalysts were fabricated via a facile three-step process: the loading of Ni(OH)2 nanosheets, high-temperature H2 reduction, and further deposition of amorphous NiS nanosheets. The results demonstrated that both robust metallic Ni interface layers and amorphous NiS can be utilized as electron cocatalysts to markedly boost the visible-light H2 evolution over g-C3N4 semiconductor. The optimized g-C3N4-based photocatalyst containing 0.5 wt % Ni and 1.0 wt % NiS presented the highest hydrogen evolution of 515 μmol g-1 h-1, which was about 2.8 and 4.6 times as much as those obtained on binary g-C3N4-1.0%NiS and g-C3N4-0.5%Ni, respectively. Apparently, the metallic Ni interface layers play multifunctional roles in enhancing the visible-light H2 evolution, which could first collect the photogenerated electrons from g-C3N4, and then accelerate the surface H2-evolution reaction kinetics over amorphous NiS cocatalysts. More interestingly, the synergetic effects of metallic Ni and amorphous NiS dual-layer electron cocatalysts could also improve the TEOA-oxidation capacity through upshifting the VB levels of g-C3N4. Comparatively speaking, the multifunctional metallic Ni layers are dominantly favorable for separating and transferring photoexcited charge carriers from g-C3N4 to amorphous NiS cocatalysts owing to the formation of Schottky junctions, whereas the amorphous NiS nanosheets are mainly advantageous for decreasing the thermodynamic overpotentials for surface H2-evolution reactions. It is hoped that the implantation of multifunctional metallic interface layers can provide a versatile approach to enhance the photocatalytic H2 generation over different semiconductor-cocatalyst heterojunctions.

Recently, a new opinion was put forward on general design standards for S-scheme heterojunction photocatalyst. Four types of S-scheme heterojunctions were analyzed. Specifically, the critical understanding on the curved Fermi level at the interface of S-scheme heterojunction is helpful to strengthen and promote the basic theory of photocatalysis.