近年来，随着催化机制的逐步明确以及合成和表征技术的发展，催化材料的研究逐渐从能带工程转向更为复杂的表面与界面工程。表面和界面作为催化材料的关键组成部分，对催化性能的提升具有至关重要的作用。
在催化材料中，表面和界面的定义与其在电荷动力学中的作用密切相关。表面是指光催化剂与反应介质直接接触的部分，而界面则是光催化剂中不同组分之间的接触区域。
根据光催化材料的结构特点，可以将表面和界面分为多种类型，如均质结构、修饰结构、异质结构、包覆结构和连接结构等。
这些结构具有不同的表面和界面数量、类型和分布，从而影响光催化材料的性能。例如，包覆结构仅暴露一个组分的表面，而连接结构则通过导电层实现两个组分之间的间接接触。
因此，在设计光催化材料时，需要根据具体的电荷动力学模型选择合适的结构类型，并通过控制合成方法来优化表面和界面的特性。
光（电）催化材料的性能主要取决于光生载流子的产生、传输和消耗效率。在典型的光催化过程中，光生电子和空穴的分离与传输是关键步骤，而表面和界面则是这些过程的主要发生场所。因此，通过表面与界面工程来优化光催化材料的性能成为当前研究的热点。
https://doi.org/10.1002/adfm.201806419
其中，表面工程主要关注催化剂表面的组成、相、晶面、面积、孔隙、缺陷等参数，这些参数直接影响反应物的吸附和活化能力；而界面工程则侧重于调催化剂中不同组分之间的界面特性，以提高光生载流子的分离和传输效率。
光（电）催化过程中的电荷动力学模型主要涉及光生载流子的产生、传输和消耗。对于单一组分的光催化剂，这三个步骤均在同一区域内发生，其效率相对有限。
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00769
为了提高催化效率，开发了多种电荷动力学模型，包括金属–半导体异质结、半导体–半导体异质结、Z型体系等。在这些模型中，表面和界面的作用至关重要。
在金属–半导体异质结中，光生载流子通过肖特基势垒实现分离和传输；在Z型体系中，界面和导电层促进了光生载流子的分离和传输。载流子最终迁移到表面诱导后续的反应发生。表面和界面的特性直接影响催化反应的效率和选择性。
表面工程的目标是通过优化表面参数来提高催化剂的催化活性和选择性。在进行表面设计时，需要遵循以下规则：
首先，表面设计应针对参与催化反应的组分；
其次，不同反应对表面参数的敏感性不同，因此需要根据反应机制合理调整表面参数；同时需要注意表面参数的变化可能会对光催化剂的能带结构和光吸收特性产生影响。
https://doi.org/10.1002/anie.201301473
在表面工程中，关键参数包括表面组成、晶面、相、面积、孔隙、缺陷和表面态等。
通过调整这些参数，可以提高光催化剂对特定反应物的吸附和活化能力，促进光生载流子的传输，并增强其还原或氧化能力。
其中通过改变表面组成可以调节光催化剂对反应物的吸附能力；通过控制表面孔隙结构可以增加反应物的吸附量和表面活性位点的数量；通过优化表面晶面可以提高光催化剂的选择性。因此，合理设计和优化表面参数是提高催化性能的重要途径。
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119745
界面工程的目标是通过优化界面参数来提高光生载流子的分离和传输效率。在进行界面设计时，需要遵循以下规则：
首先，界面设计应针对光生载流子传输的路径；
其次，界面参数的优化需要根据具体的电荷动力学模型进行调整；此外，界面参数的变化可能会对表面特性产生影响，这一点在设计时也需要考虑。
在界面工程中，关键参数包括界面组成、面积、缺陷、电子耦合和能带弯曲等—调整这些参数，可以提高光生载流子在界面处的传输效率，减少复合损失。
通过插入新的组分可以改善界面的组成和电子耦合；通过增加界面面积可以提供更多的载流子传输通道；通过减少界面缺陷可以降低载流子的复合概率。因此，合理设计和优化界面参数是提高光催化性能的重要手段。
在催化材料的设计中，表面与界面参数之间存在着密切的相互关系。从原子结构的角度来看，界面通常形成于现有组分的表面，因此界面的组成、晶面和缺陷等特性会继承自表面。
这种关系限制了界面参数的优化—表面缺陷虽然可以促进表面反应，但在生长新组分时会引入界面缺陷，从而对界面处的载流子传输产生不利影响。因此，建议在形成高质量界面后再引入表面缺陷。
https://doi.org/10.1039/c5cs00064e
从电荷动力学的角度来看，表面参数的优化效果取决于界面处的载流子传输效率，而界面参数的优化效果则取决于表面处的载流子消耗效率。
如果界面处的载流子传输效率较低，即使对表面参数进行了优化，也难以显著提高光催化性能；同样，如果表面处的载流子不能及时参与反应，界面处的载流子积累会减弱界面能带弯曲的程度，从而降低界面参数优化的效果。因此，只有同时优化表面和界面参数，才能实现催化性能的最大化。
表面与界面工程的实现需要通过精确的合成方法来控制光催化材料的结构和特性。近年来，开发了多种合成方法，以满足表面与界面工程的需求。
在表面工程中，选择性生长或沉积技术是实现表面参数控制的重要手段。通过光沉积可以在催化剂表面选择性地沉积新的组分；通过利用不同组分之间的润湿性差异可以实现选择性生长；通过表面转化反应可以改变催化剂的表面组成。
https://doi.org/10.1021/nl2006802
在界面工程中，选择性生长与沉积技术同样重要。通过光沉积可以在催化剂的不同晶面上选择性地沉积还原或氧化助催化剂。此外，使用封端剂也是一种有效的表面与界面工程方法。
封端剂可以通过选择性吸附在特定晶面上，控制光催化剂的生长方向和界面形成。然而，需要注意的是，残留在催化剂表面或界面的封端剂可能会限制催化性能。因此，在合成过程中需要严格控制封端剂的用量和去除方法。
https://doi.org/10.1002/adma.201401817
表面与界面工程在催化材料的设计中具有重要的作用。通过优化表面和界面参数，可以显著提高光催化材料的性能。此外，设计新型的电荷动力学模型和结构也是表面与界面工程的重要发展方向。
随着这些研究的不断深入，表面与界面工程逐渐成为催化材料设计的重要驱动力，为解决能源和环境问题提供新的思路和方法。
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