Pt 双助催化剂修饰海胆状中空黑色 TiO₂ 上构筑表面 Ti³⁺

来源：RSC英国皇家化学会

本文报道了一种含有表面Ti3+和体相氧空位的新型海胆状中空黑色TiO2纳米催化剂，并将该催化剂应用在可见光条件下分解水产氢方向。表面Ti3+和体相氧空位的存在窄化了带隙，提高了催化剂的光吸收效率。空间分离的双助催化剂（Pt纳米粒子负载在催化剂的内表面，RuO2负载在外表面）提高了光生载流子的分离效率。材料在全光谱和可见光下都展现出良好的催化性能。本文还运用正电子湮没技术深入探究了氧缺陷对催化剂催化性能的影响机制。

背景介绍

众所周知，氢气被认为是一种清洁，无污染，可再生，高燃烧价值的能源燃料，也是一种理想的能源载体。考虑到可行性和成本效益，光催化剂如：TiO2、C3N4、ZnO和BiVO4等在分解水产氢方面引起了广泛的关注。这其中TiO2基光催化剂因其无毒，化学性质稳定，光化学活性高和独特的带隙结构等优点被研究的最多。但是，太阳能利用率低以及较高的光生载流子复合率是TiO2基光催化材料所面临的最主要的问题。

研究目标

本文致力制备一种具有高光吸收和载流子分离效率的TiO2光催化剂，并实现其高效的光催化产氢性能。

图文精读

Figure 1. SEM images of (a) Pt/SiO2, (b) RuO2/TiO2/Pt, (c) RuO2/TiO2/Pt-B (1: 0.6); TEM image of (d) RuO2/TiO2/Pt-B (1: 0.6); HRTEM image of (e) RuO2/TiO2/Pt-B (1: 0.6).

图3a显示了样品Pt/SiO2的SEM图，从图中我们观察到Pt 纳米粒子均匀地分布在SiO2的表面。如图3b和3c所示，在样品RuO2/TiO2/Pt和RuO2/TiO2/Pt-B(1：0.6)的SEM图中清楚地观察到了海胆状的形貌，这证明NaBH4的处理不会对材料的形貌结构产生影响。图3d是样品RuO2/TiO2/Pt-B(1：0.6)的TEM图像，从图中我们发现所制备的催化剂确实具有中空结构，这与预想的结果一致。图3e则显示了样品RuO2/TiO2/Pt-B(1：0.6)的高分辨TEM（HRTEM）图像。在TiO2空心结构的内表面和外表面分别可以观察到Pt和RuO2 纳米粒子清晰的晶格条纹。其中， 0.35nm的晶格间距对应于TiO2的(101)面，0.23 nm和0.32 nm的晶格间距分别对应于Pt的(111)面和RuO2的(110)面。这样的结果证明Pt颗粒均匀地分散在催化剂的内表面，而RuO2颗粒则均匀地附着在催化剂的外表面，从而实现了双助催化剂的空间分离。

相关研究成果

B. W. Li, Q. Y. Li, B. Gupta, Z. J. Guan, L. Zhang, M. Zhang, J. J. Yang, J. Alloy. Compd., 837 (2020) 155547.

心得与展望

空间分离的双助催化剂以及表面Ti3+和体相氧空位自掺杂的概念有望打开TiO2纳米材料在可见光分解水制氢领域的新途径。