Energy Technology:老树开新花―双助催化剂助力氧化钛光催化产氢

当今能源和环境危机是全人类所共同面临的两大难题,以半导体材料为核心的光催化技术(21世纪梦的技术)为我们提供了一条利用太阳能实现可持续发展的道路。光催化污染物降解、杀菌、二氧化碳还原及光催化裂解水产氢都表现出极大的吸引力和发展前景,而且氢能被认为是21世纪最清洁的能源。传统的二氧化钛(TiO2)半导体因其低成本、化学稳定性好及环保等优点在光催化领域展现出了极大的魅力,然而,TiO2高的电子空穴复合率和宽带隙限制了它的应用。

郑州大学材料科学与工程学院邵国胜,张鹏课题组应邀在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.202100265)”Solar Hydrogen Production”专刊发表研究论文,针对以上两个问题对TiO2进行了修饰改性:在中空的TiO2球壳外表面水热生长一层二维的2H相二硫化钼纳米片之后,再通过原位氮化的手段将部分TiO2转化为具有金属特性的氮化钛。TiO2与二硫化钼和氮化钛分别产生强相互作用的异质结,获得的三元复合物具有丰富且紧密的界面载流子通道。带隙可调的二硫化钼可以作为氧化钛的助催化剂垂直生长在氧化钛表面,这样就能最大程度利用其边缘丰富的催化活性位点。但是由于二硫化钼可接受的光生电子有限,不能最大限度地利用氧化钛产生的光电子。引入第二助催化剂可能是一个不错的选择。研究者从三明治结构中获得启发,在氧化钛的另一侧原位引入助催化剂氮化钛。氧化钛与氮化钛之间的氮氧键保证了载流子的顺利传输。从TiO2光激发出来的光生电子通过界面迁移,而作为光生电子捕获剂的二硫化钼和氮化钛暴露出大量催化活性位点发生质子还原反应。

想象一下,大量载流子在有限的乡间小路的迁移效果显然比不上多条高速公路的并驾齐驱。因此,双助催化剂修饰的复合物促进了电子和空穴的分离,扩宽了TiO2的光吸收范围,其产氢性能达到128.77 µmol g1 h1。通过能带结构分析,研究者进一步剖析了三元复合材料光催化产氢机理。该项工作研究为二氧化钛基光催化剂的设计提供了全新的思路,为光生电子在三元复合物中的迁移途径提供了新的参考。相信在不久的将来,TiO2这种古老又经典的老树一定会迸发出无穷的生命力,开出新花,并造福全人类,因为它是为太阳而生的材料。

论文信息:

Dual-Modified Hollow Spherical Shell MoS2@TiO2/TiN Composites for Photocatalytic Hydrogen Production

Chao Wu, Kangli Liu, Yukun Li, Li Wang, Shuaiwei Guo, Yiran Sun, Fuxiang Zhang, Guosheng Shao, Peng Zhang

First published: 26 May 2021

DOI:10.1002/ente.202100265

原文链接:https://doi.org/10.1002/ente.202100265