薛晋波ACS AMI：缺陷工程与应变工程相结合提升黑色TiO2光催化产氢效率- 大数跨境

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薛晋波ACS AMI：缺陷工程与应变工程相结合提升黑色TiO2光催化产氢效率

科学材料站

2021-04-20

导读：该工作研究了表面氧空位与其诱导的晶格应变对可见光驱动的黑色TiO2上光催化产氢的协同效应。

文章信息

自掺杂表面氧空位诱导晶格应变，用于增强可见光驱动的黑色TiO2上光催化产氢

第一作者：高佳琦

通讯作者：薛晋波*

单位：太原理工大学

研究背景

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。模拟自然光合作用构建高效的人工光合体系，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。

缺陷工程是调节现有材料光催化性能的一种行之有效的策略。材料中缺陷会极大地影响其光催化过程中电荷传输和转移效率，特别是高密度体相缺陷会加速电子-空穴的复合。因此，通过调整缺陷的位置和浓度，设计一种具有宽光谱响应和高电荷转移能力同时避免体相电子-空穴复合的光催化材料意义重大。

同时，应变工程是通过微调晶体结构对称性来操纵电子结构的前瞻性策略之一。应变影响局部原子和电子环境以诱导产生附加内建电场，改善电荷转移行为，有利于催化活性的提高。因此，将缺陷工程与应变工程相结合以设计和优化催化剂是值得深入研究的。

文章简介

基于此，来自太原理工大学的薛晋波副教授在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题为“Self-doping Surface Oxygen Vacancy Induced Lattice Strains for Enhancing Visible Light Driven Photocatalytic H2 Evolution over Black TiO2”的研究工作。

在前期通过铝热还原法构筑黑色TiO2的工作基础上(Journal of CO₂ Utilization, https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.09.016，Journal of alloy and compound，https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159400)，该工作研究了表面氧空位与其诱导的晶格应变对可见光驱动的黑色TiO2上光催化产氢的协同效应。

对黑色TiO2晶格参数的实验测量和理论计算表明，两步铝热还原过程中产生表面氧空位，其诱导了内部晶格应变，二者耦合作用调节了黑色TiO2能带结构和优化了光生电荷行为。改性后的黑色TiO2氢气释放速率在可见光照射下达到1.882 mmol g-1 h-1。

本文要点

要点一：利用简易的两步铝热还原法制备了仅含表面氧空位的黑色TiO2纳米管阵列

巧妙设计预先氧化结晶再进行铝热还原的两步策略，制备了仅含表面氧空位的黑色TiO2纳米管阵列。依据Ellingham图，在高温与低氧分压下Al较Ti优先形成氧化物的准则，铝粉仅“夺去”已结晶的TiO2表层晶格氧，成功构筑了仅含表面氧空位的黑色TiO2；并利用XPS深度剖面技术有力的证实了这种氧空位浓度由表向内梯度递减的电子结构特征。

图 1. (a) 催化剂的合成路径，(b) Ellingham图，及催化剂表面(c)及体相(d)电子结构分析

要点二：表面氧空位导致黑色TiO2材料发生晶格失配，诱导产生晶体内应变

借助XRD、Raman和HRTEM表征手段对TiO2晶体结构进行分析，发现仅具有表面氧空位的TiO2晶体内部蕴含了一定的应变，并利用Halder–Wagner公式量化了TiO2晶体应变程度。

通过从原子尺度对TiO2的晶体结构进行精细分析，发现在含氧空位缺陷的表面结构与完整的体相结构之间有晶格失配的发生，诱发TO2晶体内部产生应变。

图 2. 催化剂晶体结构及晶格应变表征

要点三：缺陷工程与应变策略协同增强了黑色TiO2的可见光析氢速率

通过缺陷工程与应变策略协同调制的黑色TiO2在可见光下展示出1.882 mmol g-1 h-1的优异析氢效率。

缺陷工程从热力学上提升了黑色TiO2对可见光的利用效率，应变策略则可作为电子迁移的内推力，从动力学角度进一步优化了光生电荷传输行为。

图 3. 催化剂析氢性能及稳定性

文章链接

Self-Doping Surface Oxygen Vacancy-Induced Lattice Strains for Enhancing Visible Light-Driven Photocatalytic H2 Evolution over Black TiO2. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c01101

通讯作者介绍

薛晋波，男，山西阳城人，副教授，博士生导师。

山西省科技创新团队核心成员，“三晋人才”支持计划青年优秀人才。主要研究方向为“半导体薄膜材料”的设计、制备及其在环境与能源中的应用。先后主持国家自然科学基金1项，山西省重点研发项目1项，山西省青年科技研究基金1项，山西省高等学校创新基金1项，山西省回国留学人员科研项目1项。以第一作者及通讯作者在Appl. Catal. B-Environ, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Mater. Chem. C, J. CO2 Util.，Appl. Surf. Sci., J. Alloy. Compd.等化学和材料领域国际权威刊物上发表发表高水平论文50余篇，授权国家发明专利5项。

第一作者介绍