太原理工大学薛晋波课题组Nano Res.：利用Ni梯度掺杂构筑多同质结促进TiO2纳米管光催化分解水制氢

通讯作者：薛晋波*，李琦*，申倩倩*

单位：太原理工大学，西南交通大学

不断增长的全球能源需求和环境污染问题迫切地推动了人类对可再生和生态友好能源的追求。利用太阳能光催化分解水制取氢气以生产绿色可持续的氢能源，是解决上述问题的一种颇有前景的方法。因此设计与构筑高效的光催化材料成为目前极具挑战的课题。

在光催化水分解制氢反应中，单一组元的光催化剂由于存在光生电子空穴复合严重、氧化还原能力与光吸收范围不匹配等问题，导致光催化反应效率低。为此，薛晋波课题组从缺陷调控的角度入手，通过Ni梯度掺杂设计了一种多同质结TiO₂纳米管来改善上述问题。

基于此，来自太原理工大学的薛晋波副教授与西南交通大学的李琦教授合作，在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Construction of multi-homojunction TiO₂ nanotubes for boosting photocatalytic hydrogen evolution by steering photogenerated charge transfer”的研究文章。

该文章研究了高温驱动的Ni扩散促使TiO₂纳米管阵列中Ni梯度掺杂的形成过程。Ni梯度分布对TiO₂费米能级和能带结构进行调制，在减小TiO₂带隙的同时形成了两个串联分布的多同质结，这种特殊的多同质结结构增强了电荷载流子的分离和运输，促进了表面反应。这项工作为多同质结的构筑提供了一种更具普适性的方法，同时为光催化分解水制氢性能的提升提供一种新的思路。

图1 Ni梯度掺杂构筑TiO₂纳米管多同质结的光催化制氢机理图

图2 Ni梯度掺杂构筑TiO₂纳米管多同质结的制备流程

要点二：在无贵金属助催化剂及可见光照射下，TiO₂纳米管多同质结最大制氢速率可达~1.84 mmol g^-1 h^-1

图3 (a) 光电流密度-时间曲线; (b) 电化学阻抗谱; (c) 表面光电压谱; (d)氢气产量和(e)平均产率; (f) B-TNT-2Ni样品的光催化制氢稳定性测试

要点三：高温驱动的Ni扩散促使TiO₂纳米管阵列中Ni梯度掺杂。Ni梯度分布对TiO₂费米能级和能带结构进行调制，减小TiO₂带隙的同时形成了两个串联分布的多同质结，这种特殊的多同质结结构增强了电荷载流子的分离和运输，促进了表面反应

图4 (a) B-TNT-2Ni样品分别经Ar+蚀刻0 s、50 s、100 s、150 s、200 s后的XPS全谱;（b-d）Ni 2p、Ti 2p和O 1s的高分辨XPS光谱;(e) B-TNT-2Ni样品中，Ar⁺刻蚀不同时间时的Ti和Ni原子百分比；(f) TOF-SIMS记录的Ni深度分布曲线；(g) Ar⁺刻蚀方向

图5 (a-d) TiO₂, (e-h) B-TNT和(i-l) B-TNT- 2Ni样品在黑暗和光照下的AFM图像和KPFM图像; KPFM图像中不同样品在暗态(m)和光照下(n)的接触电位差

Construction of multi-homojunction TiO₂ nanotubes for boosting photocatalytic hydrogen evolution by steering photogenerated charge transfer

薛晋波，男，1982年11月生，山西阳城人，副教授，工学博士，硕士研究生导师。现在太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室从事教学科研工作。主要从事光电催化在能源环境方面的应用研究，包括光电催化产氢、光电催化还原CO₂、电催化去除工业废水重金属污染物、光-芬顿协同降解水中有机污染物和空气中挥发性有机污染物等。

李琦，男，1977年4月生，四川雅安人，教授，工学博士，博士研究生导师，四川省特聘专家。现在西南交通大学材料科学与工程学院从事教学科研工作。主要研究方向为环境与可持续发展功能材料，具体包括光催化环境净化材料、高效吸附材料、能源环境催化材料以及3D打印等。

申倩倩，女，1984年07月生，河南焦作人，副教授，硕士研究生导师。现在太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室从事教学科研工作。主要研究方向为半导体光催化及光电催化材料、光催化分解水制氢、量子点敏化太阳能电池、光电催化净水材料等。

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