Nano Energy：光生载流子定向分离对光催化制氢的影响

【引言】

在半导体介导的光催化反应中，有效的电荷分离以及光生载流子成功迁移到表面起到了至关重要的作用。考虑到形貌控制和合成方法的挑战，大多数工作仍致力于提升具有随机流向的光生载流子的分离效率。然而，随机的电荷分离难以提高真正的载流子分离效率，因为空穴和电子将以随机分离的途径再次复合。所以，载流子的空间定向分离是有效利用光生载流子至关重要的因素之一。复合材料的光生电子和空穴的空间分布可通过设计形貌和组分实现。构建非中心对称一维(1D)金属-半导体纳米结构是一种优化复合材料电荷分离效率的有效策略。

【成果简介】

近日，中国科学院国家纳米科学中心朴玲钰研究员、刘新风研究员和吴晓春研究员(共同通讯作者)等构筑了非中心对称的Au/TiO₂纳米菇(Au/TiO₂NMs)结构，并在Nano Energy上发表了题为“The Effect of Directed Photogenerated carrier Separation on Photocatalytic Hydrogen Production”的研究论文。上述一维复合材料同时具备电荷空间定向分离和可调光吸收性能。该精心设计的结构在阳光照射下纯水(无牺牲试剂)中产氢速率可达52.6 μmol·g^-1·h^-1。根据所得光催化性能数据，研究人员推测光催化效率的提升主要是由于电荷空间定向分离所致，而不是Au纳米棒局部表面等离子体共振(LSPR)的影响。此外，研究人员还证实在阳光照射下，TiO₂纳米粒子向Au纳米棒的电子转移占主导地位。

【图文简介】

图1 Au/TiO₂NMs的形貌及光学性能

a-c) Au/TiO₂NMs (500μL 1 M Na₂CO₃)的SEM和(HR)TEM图；

d-g) Au /TiO₂NMs的HAADF-STEM图和STEM-EDS元素分布；

h) Au NRs和Au/TiO2 NMs水中的紫外-可见激发光谱。

图2 NaHCO₃用量对材料形貌的调控

a/b₁-a/b₅) 随NaHCO₃用量增加(1M，NaHCO₃：400μL，430μL，460μL，500μL， 550μL)Au /TiO₂NMs的SEM和TEM图像；

c) Au NRs(绿线)和Au/TiO₂NMs(a₁到a₅)水中的紫外-可见激发光谱。

图3Au/TiO₂NMs材料的XRD和XPS谱图

a) Au/TiO₂NMs的XRD谱图；

b-d) Au/TiO₂NMs的Au 4f、Ti 2p和O 1s XPS谱图。

图4 Au/TiO₂NMs材料的光催化制氢活性

a) 日光下不同催化剂的制氢活性；b) 可见光下不同催化剂的制氢活性；c) 紫外光下不同催化剂的制氢活性。

图5Au/TiO₂NMs的FTAS和TA测试

a-c) TiO₂NPs、Au NRs和Au/TiO₂NMs的FTAS测试；

d,e) Au/TiO₂NMs 400nm激发后分别在525 nm和675 nm检测的TA动力学测试。

图6 Au/TiO₂NMs电子流向的证明

a,b) Au/TiO₂/Pt NMs的TEM和HAADF-STEM图像；

c-e) Au/TiO₂/Pt NMs的STEM-EDS元素分布。

【小结】

在该文中，研究人员利用简单的方法构筑了一种新型非中心对称的Au/TiO₂纳米菇结构。此外在阳光照射下，即使无牺牲试剂，上述纳米菇结构亦能展现出优异的光催化产氢活性，具有一定实际应用的价值。在阳光照射下，TiO₂纳米粒子向Au纳米棒的电子转移占主导地位。Au/TiO₂NMs催化剂光催化效率的提升主要是由于直接电荷分离以及形成了空间分离的氧化还原反应区域。上述工作显示出非中心对称形貌催化剂在全分解水反应中存在着巨大潜力。

文献链接：The Effect of Directed Photogenerated carrier Separation on Photocatalytic Hydrogen Production.(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/ j.nanoen.2017.10.008)

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