论文DOI：10.1002/aenm.202201688
全文速览
近日，来自厦门大学的黄小青教授、广东工业大学的徐勇教授和苏州大学樊星博士合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Ru/In Dual-Single Atoms Modulated Charge Separation for Significantly Accelerated Photocatalytic H2 Evolution in Pure Water”的研究论文。该论文展示了Ru/In双单原子掺杂有效促进TiO2电子-空穴的分离，在没有牺牲剂的情况下，实现高效光催化纯水分解制氢。
背景介绍
随着愈演愈烈的能源危机和环境污染等问题，开发和利用可再生和清洁能源迫在眉睫。太阳能是迄今为止最丰富、廉价、无污染且可持续的能源，因此使用太阳能作为能源的光催化制氢对解决环境能源危机和减少温室气体有十分重要的意义。然而，在无牺牲剂的情况下，利用光催化水分解大规模制氢仍是一个挑战。本文展示了TiO2上的双掺杂Ru/In单原子(Ru-In SA/TiO2)的修饰导致了Ti3+的显著增加和氧空位的富集，从而加速光催化纯水分解过程中光生载流子的分离。Ru-In SA/TiO2在没有牺牲剂的情况下，光催化纯水分解产氢的性能优于大多数报道的光催化剂。本文不仅为纯水分解制氢提供了一种不需要牺牲剂的高效光催化剂，而且促进了催化剂设计和改性的基础研究。
本文亮点
1. 构建了Ru、In双单原子改性的TiO2复合光催化剂用于水分解。单原子改性可促进TiO2的空位产生，Ru单原子的掺杂促进了TiO2光生电子向Ru的转移，而In单原子的掺杂则增强了TiO2价带光生空穴向In单原子的转移，从而实现了电子-空穴的有效分离。
2. 在光解水过程中，在无牺牲剂的前提下，Ru-In SA/TiO2在光催化纯水分解中H2析出速率可达到174.1 μmol h-1，分别是Ru/TiO2、In/TiO2和TiO2的6倍、18倍和53倍，并且表现出优异的稳定性。
3. 本文结合实验表征和理论计算证明了Ru、In双单原子的改性促进了电子空穴对分离，从而获得了优异的光解水产氢性能。
图文解析
设计高效、长寿命的光催化剂是实现光催化水分解大规模析氢的重要任务，在载体上设计单中心助催化剂为利用贵金属提供了一种具有成本效益的途径。通过简单的一步水热法将双单原子Ru和In修饰在TiO2表面，优化并制备出一种Ru-In SA/TiO2纳米光催化剂。
通过XRD、XPS、XAFS等表征研究发现：Ru和In是以单原子状态均匀分布在TiO2 纳米催化剂表面，且与TiO2纳米催化剂形成了M-O配位作用。这种Ru单原子和In单原子双重改性有利于促进光诱导载流子的传输。
详细的研究表明，Ru/In单原子的修饰导致了Ti3+的显著增加和氧空位的富集，从而加速了电荷分离。飞秒瞬态吸收光谱表明，Ru单原子的掺杂促进了TiO2光生电子向Ru的转移，而In单原子的掺杂则增强了TiO2价带光生空穴向In单原子的转移，从而实现了电子-空穴的有效分离。
在光催化剂水分解过程中，在没有牺牲剂和辅助催化剂的情况下，Ru-In SA/TiO2在光催化纯水分解中H2析出速率可达到174.1 μmol h-1，分别是Ru单原子修饰TiO2、In单原子修饰TiO2和原始TiO2的6倍、18倍和53倍，光催化纯水分解产氢的性能优于大多数报道的光催化剂。此外催化剂也表现出了优异的稳定性，在环境条件下保存180天后依然未出现明显的活性下降。
总结与展望
随着越来越严重的能源和环境危机，如何合理的利用太阳能成为人们关注的焦点。光解水制氢不但能有效将太阳能转化为化学能，而且所得的氢气具有能量密度大、无污染等优点。TiO2作为一种廉价的光催化剂备受关注，然而其存在的问题是光生电子-空穴的复合，从而导致光解水性能不高。本文针对TiO2电子-空穴的复合的问题，通过引入Ru和In两种单原子对其进行改性。实验和理论计算表明：Ru单原子的引入可促进TiO2光生电子向Ru的转移，而In单原子的引入则促进了TiO2价带光生空穴向In单原子的转移，从而实现了电子-空穴的有效分离。此外，单原子的引入促进了TiO2空位的形成，而这些氧空位在光解水过程中可被空穴进一步氧化。因此，在无外部牺牲剂的情况下，Ru-In SA/TiO2表现出明显优于Ru SA/TiO2， In SA/TiO2 和TiO2的产氢性能。该研究工作表明：通过合理的催化剂改性可促进光生电子空穴传输和分离，为设计和构建新型光催化剂提供了思路。
通讯作者介绍
徐勇教授简介：广东省自然科学基金杰出青年基金获得者，江苏省双创博士(2018)。2013年在中国科学技术大学化学物理系获得博士学位，并于2011-2012期间在意大利国家核物理研究院弗拉斯卡迪国家实验室进行博士联合培养。2013年加入中国科学院上海高等研究院低碳科技中心，并在2014-2017年先后苏州大学功能纳米与软物质研究院以及美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究。2017年以副教授加入苏州大学纳米科技学院，2020年加入广东工业大学材料与能源学院。目前以一作和通讯作者身份在Nat. Synth.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Energy. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull. 等高水平期刊发表论文90余篇。主要研究方向为功能纳米催化剂的表界面改性及其在多相催化方面的应用研究。
黄小青教授简介：厦门大学教授。2005年于西南师范大学（现西南大学）获理学学士学位。2011年于厦门大学获理学博士学位，导师为郑南峰教授、郑兰荪院士。2011-2014年在美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授课题组从事的博士后研究工作。2014年至今先后于苏州大学材料与化学化工学部、厦门大学化学化工学院担任特聘教授，博士生导师。2020年获国家杰出青年科学基金资助，课题：贵金属纳米材料合成化学。以通讯作者身份在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res. 等学术刊物上发表多篇研究论文。目前兼职：Science Bulletin、Rare Metal和Science China Materials客座编辑或编委。研究兴趣：贵金属纳米材料的精准制备及其电、热、光催化应用研究。
本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
