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如何设计高效的光催化析氢催化剂？这篇NC从两方面告诉你！
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如何设计高效的光催化析氢催化剂？这篇NC从两方面告诉你！

如何设计高效的光催化析氢催化剂？这篇NC从两方面告诉你！ 科学材料站
2021-04-11
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导读：该工作介绍了一种采用原位库仑校正和/或杂化泛函的密度泛函理论计算方法设计TiO2负载金属助催化剂的理论方法。


文章信息

金属/二氧化钛复合材料光催化析氢催化剂的功能导向设计
第一作者：王栋
通讯作者：王栋
单位：华东理工大学

研究背景

二氧化钛（TiO2）是一种重要的光催化分解水材料，在其上负载合适的助催化剂（通常是金属）是提高析氢反应性能的常用方法。
由于光电子在光子激发后首先在TiO2的主体区域产生，因此良好的金属/二氧化钛催化剂应至少在以下两个方面具备资格：（i）有效的跨界面电子转移（从TiO2到金属）和（ii）在金属表面上快速产氢。
Pt、Pd、Rh等贵金属由于具有较大的功函数（或较低的费米能级）和合适的氢原子吉布斯吸附能（ΔGH）而能够同时满足这两个要求，因此在光催化领域得到了广泛的应用，尤其是Pt被认为是最理想的催化剂材料，但如何降低催化剂的成本和/或提高催化剂的活性已引起学术界和工业界的极大兴趣。

文章简介

基于此，华东理工大学王栋等在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Function-oriented design of robust metal cocatalyst for photocatalytic hydrogen evolution on metal/titania composites”的研究工作。该工作介绍了一种采用原位库仑校正和/或杂化泛函的密度泛函理论计算方法设计TiO2负载金属助催化剂的理论方法。
该方法首先阐明金属/TiO2复合材料的每个金属层在光催化HER中的单独功能，包括电子转移和表面催化两个方面，然后通过探索合适的候选者进行功能导向的优化。
通过这种方法，研究者成功地确定并验证了双金属Pt/Rh/TiO2和Pt/Cu/TiO2催化剂是传统Pt/TiO2的可靠替代品，本研究将为合理设计高效、经济的光催化剂铺平道路。

本文要点

要点一：研究者将复杂的光催化反应分解为界面电子转移和表面催化反应两个基本过程。对于金属/TiO2复合材料，界面第一金属层被证明负责从TiO2收集光电子，而外层主要与催化表面HER有关。
特别是对于前者，我们从理论上确定Rh和Cu是健壮的电子转移材料，在与Pt的最佳HER催化剂合金化后，产生双金属Pt/Rh/ TiO2和Pt/Cu/ TiO2作为传统Pt/ TiO2的优良替代物。研究结果清楚地证明了正确的金属类型和适当的堆叠顺序对提高合金材料性能的重要性。
要点二：进一步研究了IET能量与金属/TiO2复合材料的隧道势垒高度ΦTB之间的线性关系，为合理设计高效、经济的光催化剂铺平了道路。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20464-x
Function-oriented design of robust metal cocatalyst for photocatalytic hydrogen evolution on metal/titania composites


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