吉林大学崔小强教授课题组最新AEM- 同质异相界面大幅提升光催化析氢性能- 大数跨境

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吉林大学崔小强教授课题组最新AEM- 同质异相界面大幅提升光催化析氢性能

科学材料站

2022-03-04

导读：本文报道了一种新型具有较合适能带匹配、较小接触势垒及较快光生载流子分离和迁移速率的锐钛矿/金红石异相同质结

文章简介

利用半导体光催化剂在太阳光还原水制取可再生氢气是一个解决全球能源和环境危机的有效解决方案。TiO₂是一种典型的重要传统光催化析氢催化剂。然而，其固有的宽带隙和光生电子-空穴对的快速复合阻碍了其光催化效率。以往的研究中尝试多种如形态和结晶度的改变和控制、金属或非金属元素掺杂和异质结的构建等策略试图提升TiO₂基光催化剂的性能，并取得了一定突破，但其光催化析氢活性仍不尽如人意。

有鉴于此，近日吉林大学崔小强教授研究团队报道了一种新型具有较合适能带匹配、较小接触势垒及较快光生载流子分离和迁移速率的锐钛矿/金红石异相同质结（简写为：a-Ti/H-Ti），赋予了TiO₂基光催化剂较优异的光催化析氢活性，使这种传统的光催化剂迸发出新的活力。异相同质结概念的引入，为开发更多高效稳定的光催化剂指明了方向。相关成果最新发表在Advanced Energy Materials。

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研究内容

1. a-Ti/H-Ti异相同质结的形貌和结构表征

通过湿化学和室温搅拌法制备了a-Ti/H-Ti异相同质结催化剂，球差电镜和拉曼光谱等都显示成功制备锐钛矿相和金红石相异相同质结。

2.a-Ti/H-Ti异相同质结的光催化性能表征

制备的异相同质结光催化剂展现出较优异的光催化析氢活性，超越了大多数之前的TiO₂基研究工作。

3.a-Ti/H-Ti异相同质结能带结构及电子转移表征

原位XPS、理论功函数值和ESR技术手段显示异相同质结之间有交错的能带结构且有电子转移。

通过固体紫外吸收谱图、XPS价带谱及实验功函数值确定了其锐钛矿相和金红石相的价导带位置。

4. 光生载流子分离及传输动力学

稳态荧光、瞬态荧光光谱和光电化学测试显示制备的异相同质结具有较优异的光生载流子分离效率。稳态/瞬态表面光电压也证明了较好的光生电子和空穴分离和传输能力。

为了更好的理解异相同质结之间的光生电子-空穴的传输动力学，我们利用瞬态吸收光谱证实了异相同质结之间具有较好的分离和传输能力以及较长的光生电子寿命。

总结与展望

本文提出了一种全新的异相同质结概念应用于光催化领域，制备的锐钛矿/金红石二氧化钛异相同质结大幅提升光催化析氢性能。

致谢

本研究受到苏州纳米技术与纳米仿生研究所崔义研究员、中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员和吉林大学化学学院谢腾峰教授等合作者的大力支持以及国家自然科学基金(51872116，12034002)，吉林省发展和改革委员会自主创新项目(2021C026)，吉林省科技发展项目(20190201233JC)和吉林大学科技创新研究团队项目(JLUSTIRT，2017TD-09)等项目资助。

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202200298，DOI：10.1002/aenm.202200298。

第一作者简介

阮晓文 2020级博士生

通讯作者简介

崔小强 教授

崔小强教授主要研究方向为能源催化材料，面向氢能综合利用、燃料电池汽车等国家重大战略需求，从原子尺度上开展高效催化剂的设计和制备研究。

相关研究成果连续发表在JACS、Chem、Matter、Nature Communications（3篇）、AEM、AFM等学科顶级期刊，被多次正面引用。累计发表SCI论文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（4项）等。申请国家发明专利37项，授权26项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林省第七批拔尖创新人才第三层次、吉林省第十六批享受政府津贴专家（省有突出贡献专家）、吉林大学“三全育人”育人标兵等荣誉称号。担任中国材料研究学会青年工作委员会第七、第八届理事会理事（2011.10至今），中国材料学会纳米材料与器件分会首届理事会（2014.4至今）、中国有色金属学会贵金属学术委员会会员（2018.5至今）、中国材料学会终身会员（2021.2年至今）、《中国材料进展》期刊第五届编辑委员会青年委员（2021.4年至今）