Two-dimensional-layered heterojunctions have attracted extensive interest recently due to their exciting behaviours in electronic/optoelectronic devices as well as solar energy conversion systems. However, layered heterojunction materials, especially those made by stacking different monolayers together by strong chemical bonds rather than by weak van der Waal interactions, are still challenging to fabricate. Here the monolayer Bi2WO6 with a sandwich substructure of [BiO](+)-[WO4](2-)-[BiO](+) is reported. This material may be characterized as a layered heterojunction with different monolayer oxides held together by chemical bonds. Coordinatively unsaturated Bi atoms are present as active sites on the surface. On irradiation, holes are generated directly on the active surface layer and electrons in the middle layer, which leads to the outstanding performances of the monolayer material in solar energy conversion. Our work provides a general bottom-up route for designing and preparing novel monolayer materials with ultrafast charge separation and active surface.

Carbon dioxide was photocatalytically reduced to produce methanol in an aqueous solution using 254 nm UV irradiation. Titania and Cu-loaded titania were synthesized by an improved sol–gel method using a homogeneous hydrolysis technique. The grain size of TiO2 and Cu/TiO2 were uniform and average diameters were approximately 20 nm. Photocatalytic reduction was conducted in a quartz reactor with a UV lamp irradiating at the center. XPS analysis reveals that Cu 2p3/2 is 933.4 eV indicating primary Cu2O species on the TiO2 supports. EDX and XPS revealed that most copper clusters were on the TiO2 surface. The optimum amount of copper loading was 2.0 wt.% for the highest dispersion among catalysts. The methanol yield of 2.0 wt.% Cu/TiO2 was 118 μmol/g following 6 h of UV illumination. The yield was much higher than those of sol–gel TiO2 and Degussa P25, whose yields were 4.7 and 38.2 μmol/g, respectively. The methanol yield reached a steady-state 250 μmol/g after 20 h of irradiation. Experimental results indicated that the methanol yield was significantly increased by adding NaOH. The caustic solution dissolved more CO2 than did pure water. In addition, the OH− in aqueous solution also served as a strong hole scavenger. The redistribution of the electric charge and the Schottky barrier of Cu and TiO2 facilitates electron trapping via supported Cu. The photocatalytic efficiency of Cu/TiO2 was markedly increased because of the lowering the re-combination probability for hole–electron pairs. The highest quantum and energy efficiencies achieved were 10 and 2.5%, respectively.

Hydrogen is the ideal fuel for the future because it is clean, energy efficient, and abundant in nature. While various technologies can be used to generate hydrogen, only some of them can be considered environmentally friendly. Recently, solar hydrogen generated via photocatalytic water splitting has attracted tremendous attention and has been extensively studied because of its great potential for low-cost and clean hydrogen production. This paper gives a comprehensive review of the development of photocatalytic water splitting for generating hydrogen, particularly under visible-light irradiation. The topics covered include an introduction of hydrogen production technologies, a review of photocatalytic water splitting over titania and non-titania based photocatalysts, a discussion of the types of photocatalytic water-splitting approaches, and a conclusion for the current challenges and future prospects of photocatalytic water splitting. Based on the literatures reported here, the development of highly stable visible–light-active photocatalytic materials, and the design of efficient, low-cost photoreactor systems are the key for the advancement of solar-hydrogen production via photocatalytic water splitting in the future.

A series of vanadium-doped TiO2 catalysts were synthesized by two modified sol–gel methods. V-doped TiO2 was found to be mainly preserved its anatase phase after calcination at 400 °C. The TEM micrographs showed the sizes of primary particles were in the range of 6–20 nm. The increase of vanadium doping promoted the particle growth, and enhanced “red-shift” in the UV-Vis absorption spectra. The XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) could not detect vanadium indicating negligible vanadium on the surface of catalysts, furthermore, there were also no peak of vanadium oxide in the XRD patterns. XAS (X-ray absorption spectroscopy) analysis indicating V4+ instead of V5+ implied that vanadium either substituted Ti4+ site or embedded in the vacancy of TiO2 structure. Therefore, vanadium was concluded to be highly dispersed inside the TiO2 structure. The photocatalytic activity was evaluated by the degradation of crystal violet (CV) and methylene blue (MB) under visible light irradiation. The degradation rate of CV and MB on V-doped TiO2 were higher than those of pure TiO2. As the results, V-doped TiO2 possessed better absorption ability of visible light.

Copper-loaded titania (Cu/TiO2) was synthesized via an improved modified sol–gel process. Photocatalysts were applied to the CO2 photocatalytic reduction and the yield of the major product, methanol, was used to evaluate the photocatalytic performance. Copper precursors and the adding time with sol as well as posttreatments were studied to explore the relationships between the characteristics and the activity of the photocatalysts. The results revealed that Cu/TiO2 prepared from copper chloride and added in the early sol–gel stage was more photoactive than that from copper acetate. Additional H2 reduction of calcined catalysts before the photoreduction CO2 decreased the yield of methanol due to the change of copper dispersion and oxidation state. TPR, XPS, and XAS measurements verified the oxidation state of Cu on Cu/TiO2 catalysts. The results indicated that the primary Cu(I) served as an active site. The zeta potentials of catalysts were measured and compared, showing that a higher positive zeta potential at pH 7 would lead to higher activity. Under 30-h UVC (254 nm) irradiation, the best catalyst gave a methanol yield above 600 μmol/gcat. Switching to UVA (365 nm) resulted in a significant decrease of methanol yield in the range of 10 μmol/gcat.

A marigold-like SiC@MoS2 nanoflower with a unique Z-scheme structure efficiently achieves the overall conversion of gas phase CO2 with H2O (CO2 (g) + 2H2O (g) = CH4 + 2O2) without any sacrificial reagents under visible light (λ ≥ 420 nm) irradiation. The CH4 and O2 evolution are 323 and 621 μL·g–1·h–1, and stable throughout 5 cycle reactions of total 40 h. This work demonstrates a breakthrough in artificial photosynthesis with the Z-scheme 1D heterojunction constructed by combining 2D semiconductor and 3D semiconductor based on the transfer balance of photogenerated electron and hole.

The mechanism of photocatalytic conversion of CO2 and H2O over copper oxide promoted titania, Cu(I)/TiO2, was investigated by means of in situ DRIFT spectroscopy in combination with isotopically labeled 13CO2. In addition to small amounts of 13CO, 12CO was demonstrated to be the primary product of the reaction by the 2115 cm−1 Cu(I)−CO signature, indicating that carbon residues on the catalyst surface are involved in reactions with predominantly photocatalytically activated surface adsorbed water. This was confirmed by prolonged exposure of the catalyst to light and water vapor, which significantly reduced the amount of CO formed in a subsequent experiment in the DRIFT cell. In addition, formation of carboxylates and (bi)carbonates was observed by exposure of the Cu(I)/TiO2 surface to CO2 in the dark. These carboxylates and (bi)carbonates decompose upon light irradiation, yielding predominantly CO2. At the same time a novel carbonate species is produced (having a main absorption at ∼1395 cm−1) by adsorption of photocatalytically produced CO on the Cu(I)/TiO2 surface, most likely through a reverse Boudouard reaction of photocatalytically activated CO2 with carbon residues. The finding that carbon residues are involved in photocatalytic water activation and CO2 reduction might have important implications for the rates of artificial photosynthesis reported in many studies in the literature, in particular those using photoactive materials synthesized with carbon containing precursors.

The photocatalytic methods for nitrogen oxides removal were recently very intense areas of scientific research. Photo-deNOx processes offer interesting ways for abatement of these harmful gases. This review describes several methods for removing NO by photocatalytic reactions. These methods can be classified into three major groups: photo selective catalytic reduction (photo-SCR), photo-oxidation and photo-decomposition. The application of photocatalysts and photo-processes for NOx abatement in real-scale cases are presented. The fast-growing development of these methods is revealed by the large number of issued patents in photo-deNOx applications. The mechanism of NO creation and the traditional methods (primary and secondary) of NOx removal are summarized and discussed. A cooperative system that combines the traditional (thermal) process and a photo-process is then proposed for improving NOx removal efficiency.

Abstract The stoichiometric photocatalytic reaction of CO 2 with H 2 O is one of the great challenges in photocatalysis. Here, we construct a Cu 2 O-Pt/SiC/IrO x composite by a controlled photodeposition and then an artificial photosynthetic system with Nafion membrane as diaphragm separating reduction and oxidation half-reactions. The artificial system exhibits excellent photocatalytic performance for CO 2 reduction to HCOOH and H 2 O oxidation to O 2 under visible light irradiation. The yields of HCOOH and O 2 meet almost stoichiometric ratio and are as high as 896.7 and 440.7 μmol g −1 h −1 , respectively. The high efficiencies of CO 2 reduction and H 2 O oxidation in the artificial system are attributed to both the direct Z-scheme electronic structure of Cu 2 O-Pt/SiC/IrO x and the indirect Z-scheme spatially separated reduction and oxidation units, which greatly prolong lifetime of photogenerated electrons and holes and prevent the backward reaction of products. This work provides an effective and feasible strategy to increase the efficiency of artificial photosynthesis.

The effect of surface plasmon resonance (SPR) on the photocatalytic water splitting was studied by employing the photocatalyst, Au/TiO2, to produce renewable solar hydrogen. It is well-known that metal particles on TiO2 can behave as electron traps, retarding the recombination of electron−hole pairs, thereby improving reaction activity. However, the electron trap is not the only mechanism responsible for the photoreaction enhancement. Our experiment on methylene blue photodegradation over Au particles proved that the SPR phenomenon was also involved in the photoreaction enhancement. Furthermore, the photocatalytic water splitting was performed on Au/TiO2 prepared by the photodeposition method. The production of hydrogen was significantly increased because Au particles not only acted as electron traps as well as active sites but also played an important role in the SPR enhancement. The intensified electric field at the interface between the Au particle and the subdomain on TiO2 was illustrated by finite element method (FEM) electromagnetic simulation.