光催化剂的表面活化:金属助剂构建可控高效反应活性位点

as利用太阳能光催化分解水产氢是解决能源危机和环境污染的最具前景的方法之一,该领域的主要目标是开发具有高活性和稳定性的半导体光催化剂。其中,构建催化助剂-半导体异质结是加速电荷分离、活化催化剂表面、提高光催化活性的最有效方法之一。目前,有大量的材料被用作助催化剂;其中,零价金属,如,Pt、Pd、Ru和Ir等,依然是性能最佳的一类助催化剂。原位光沉积法是一种将金属助催化剂负载到半导体催化剂表面的最常用方法,该方法可以定向地将金属助催化剂负载到催化剂表面的还原活性位点。这种选择性可以通过暴露有特殊晶面的半导体光催化剂清楚地观察到。然而,该方法无法精确控制金属助催化剂纳米颗粒的尺寸和分布;另外,这种选择性过程同样会导致未被沉积的晶面不能进行产氢反应,仅仅进行氧化反应。这样,未被沉积金属助催化剂的晶面在光催化过程中可能会被过渡“浪费”,抑制了光催化活性的提升!

西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦教授、刘茂昌助理教授及其研究团队开发出一种新型构建金属-半导体异质结的模型。通过该方法,能够方便的利用动力学手段控制助催化剂的粒径大小和分布,并有效活化催化剂表面,使原本“钝化”的晶面具有高效产氢的能力,从而使得光催化产氢活性提高一个数量级。相关论文发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500153)

 该课题组利用暴露有不同晶面比例({001}/{101})Cu2WS4半导体材料作为模型催化剂,其中,{001}晶面和{101}晶面可以分别进行光催化还原反应和氧化反应。通过传统的光沉积法可以将金属助催化剂定向沉积到{001}晶面。而通过无光条件下的化学还原法,可以将金属助催化剂颗粒同时沉积在{001}和{101}晶面,并且可以利用动力学手段调节金属助催化剂纳米颗粒的大小。这样,占有较大比例的{101}晶面被活化,从而可以进行光催化产氢反应,显著提升光催化产氢活性。该课题组前期的研究显示,{001}晶面和{101}晶面可形成II型错列能带结构,{101}晶面的导带和价带分别比{001}晶面高80 meV和60 meV。与活化后的{001}晶面相比,{101}晶面较高的导带将更有利于光生电子从该晶面迁移到金属助催化剂上,因此,该方法活化后的Cu2WS4光催化剂,{101}晶面上的助催化剂比{001}晶面上的助催化剂显示出更高的助催化活性。该研究工作进一步加深了研究者对金属助催化剂的理解和认识,提供了一种新型的构建表面活性位点的方法,并有望进一步应用在其它催化剂的开发上。

 该工作得到了国家自然科学基金,中国博士后自然基金和中央高校基本科研业务费的支持。