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崔小强教授Matter观点：湿化学法制备H掺杂TiO2并应用于光催化析氢及其缺陷转换

科学材料站

2021-11-19

导读：该观点文章发展了氢化二氧化钛的制备方法并表现出优异的光催化析氢性质，同时对于氢化二氧化钛的缺陷转化进行了详细的阐述。

文章信息

湿化学法制备H掺杂TiO₂并应用于光催化析氢及其缺陷转换

第一作者：贾广日

通讯作者：崔小强*

单位：吉林大学

研究背景

近年来，氢化TiO₂已被证实是一种很有前途的光催化材料。此外，缺陷工程也是提高二氧化钛光催化性能的一种很有效的方法。通常，氢化TiO₂一般采用两步策略，即首先制备或商业的TiO2纳米结构通过氢物质还原得到。

具体来说，H-TiO₂主要通过高温还原、氢等离子体、金属氢化物还原等后处理方法制备。氢化得到的TiO₂具有优异的性质:(i)缩小TiO₂的带隙和(ii)抑制光生载流子的复合。

氢化TiO₂相对于TiO₂的活性提高和TiO₂加氢的困难与氧化物中的H的化学性质有关，特别是晶格中H相对于O的键合较弱，以及与之相关的Ti邻近H轨道位置的变化。因此，在较温和的条件下合成氢化二氧化钛并控制缺陷转换对进一步提高催化性能和实用性至关重要。

文章简介

基于此，来自吉林大学材料学院的崔小强教授，在国际知名期刊Matter上发表题为“Wet-Chemistry Hydrogen Doped TiO2 with Switchable Defects Control for Photocatalytic Hydrogen Evolution”的观点文章。

该观点文章发展了氢化二氧化钛的制备方法并表现出优异的光催化析氢性质，同时对于氢化二氧化钛的缺陷转化进行了详细的阐述。

图1.氢化二氧化钛制备及其缺陷转换示意图

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本文要点

要点一：湿化学法制备氢化TiO₂

近年来，氢化二氧化钛的光催化研究备受关注。通常，氢化TiO₂是通过两步策略制备: 即含有氢源的化合物在高温或高压等严酷的条件下还原处理TiO₂纳米结构。发展一种较温和的制备方法是十分必要的。

一种新的TiO₂原位氢化的湿化学方法被提出，即钛酸四丁酯在三氟甲烷磺酸(TfOH)溶液中水解时，乙醇脱氢产生的氢原子与TiO₂结合。当氢原子取代氧原子时，H-TiO₂形成Ti-H缺陷，同时保持原有的TiO₂晶体结构。

要点二：氢化TiO2实现缺陷转换

缺陷的可控转化对于光催化剂的研究是十分必要的。通过高温处理能够迫使晶格中掺杂的氢变得更加活跃，进而改变TiO₂的晶体结构。最终，分别在Ar或O₂气氛下退火可控地获得带有或不带有氧空位的TiO₂。即在氩气环境中退火使得晶格中的氢（还原性）能够还原本体TiO₂使其变成具有O缺陷的TiO₂，而在氧气中退火会修复缺陷得到无缺陷的TiO₂。

要点三：H在金属氧化物中的电子结构调节与光催化性质的提高

氢化金属氧化物中氢原子作为异质原子可以明显的调控本体TiO₂的电子结构，进而调节其光催化析氢性质。实验表明H-TiO₂光催化析氢活性显著增强，是商品化金红石的60倍。

理论与实验相结合证明了H的掺入改变了TiO₂的能带结构，并通过引入TiO₂的中间带隙态来扩展可见光吸收。H缺陷改变了Ti和O周围的电荷分布，促进了光载流子的有效分离。本研究为TiO₂制备高效光催化剂提供了一条途径，为氧化物缺陷工程提供了一条很有前途的途径。

文章链接

Wet-Chemistry Hydrogen Doped TiO₂ with Switchable Defects Control for Photocatalytic Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.10.027

通讯作者简介

崔小强教授

吉林大学材料科学与工程学院副院长，教授、博士生导师。主要研究领域为低维纳米材料物理与化学，研究内容是面向能源催化与生物传感，从原子尺度上开展低维纳米材料高效催化以及生物传感特性的设计制备和应用研究。主要研究成果：提出创新制备方法，获得多种性能优异的低维纳米催化材料，并从原子尺度揭示材料形成机制和催化机理。成果连续发表在Chem、Matter、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.、ACS Catal.等学科顶级期刊。已发表SCI 检索论文 145 篇，SCI 他引 4800 余次，H 因子 37。申请国家发明专利37项，授权24项。主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题、国家自然科学基金面上项目、企业横向课题等项目11 项，到账经费 1169 万元。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。

课题组介绍

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本课题组关注低维纳米材料的设计、制备及其性质应用，主要面向健康检测和能源领域，开展生物传感和电化学催化研究，探索低维纳米材料表界面调控对性能的影响规律，解决新材料设计制备的基本原理和实际应用问题。

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