Nano Energy：光生載流子定向分離對光催化制氫的影響

【引言】

在半導體介導的光催化反應中，有效的電荷分離以及光生載流子成功遷移到表面起到了至關重要的作用。考慮到形貌控制和合成方法的挑戰，大多數工作仍致力于提升具有隨機流向的光生載流子的分離效率。然而，隨機的電荷分離難以提高真正的載流子分離效率，因為空穴和電子將以隨機分離的途徑再次復合。所以，載流子的空間定向分離是有效利用光生載流子至關重要的因素之一。復合材料的光生電子和空穴的空間分布可通過設計形貌和組分實現。構建非中心對稱一維(1D)金屬-半導體納米結構是一種優化復合材料電荷分離效率的有效策略。

【成果簡介】

近日，中國科學院國家納米科學中心樸玲鈺研究員、劉新風研究員和吳曉春研究員(共同通訊作者)等構筑了非中心對稱的Au/TiO₂納米菇(Au/TiO₂ NMs)結構，并在Nano Energy上發表了題為“The Effect of Directed Photogenerated carrier Separation on Photocatalytic Hydrogen Production”的研究論文。上述一維復合材料同時具備電荷空間定向分離和可調光吸收性能。該精心設計的結構在陽光照射下純水(無犧牲試劑)中產氫速率可達52.6 μmol·g^-1·h^-1。根據所得光催化性能數據，研究人員推測光催化效率的提升主要是由于電荷空間定向分離所致，而不是Au納米棒局部表面等離子體共振(LSPR)的影響。此外，研究人員還證實在陽光照射下，TiO₂納米粒子向Au納米棒的電子轉移占主導地位。

【圖文簡介】

圖1 Au/TiO₂ NMs的形貌及光學性能

a-c) Au/TiO₂ NMs (500μL 1 M Na₂CO₃)的SEM和(HR)TEM圖；

d-g) Au /TiO₂ NMs的HAADF-STEM圖和STEM-EDS元素分布；

h) Au NRs和Au/TiO2 NMs水中的紫外-可見激發光譜。

?圖2? NaHCO₃用量對材料形貌的調控

a/b₁-a/b₅) 隨NaHCO₃用量增加(1M，NaHCO₃：400μL，430μL，460μL，500μL， 550μL)Au /TiO₂ NMs的SEM和TEM圖像；

c) Au NRs(綠線)和Au/TiO₂ NMs(a₁到a₅)水中的紫外-可見激發光譜。

?圖3 ?Au/TiO₂ NMs材料的XRD和XPS譜圖

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a) Au/TiO₂ NMs的XRD譜圖；

b-d) Au/TiO₂ NMs的Au 4f、Ti 2p和O 1s XPS譜圖。

圖4 ?Au/TiO₂ NMs材料的光催化制氫活性

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a) 日光下不同催化劑的制氫活性；b) 可見光下不同催化劑的制氫活性；c) 紫外光下不同催化劑的制氫活性。

圖5? Au/TiO₂ NMs的FTAS和TA測試

a-c) TiO₂ NPs、Au NRs和Au/TiO₂ NMs的FTAS測試；

d,e) Au/TiO₂ NMs 400nm激發后分別在525 nm和675 nm檢測的TA動力學測試。

圖6? Au/TiO₂ NMs電子流向的證明

a,b) Au/TiO₂/Pt NMs的TEM和HAADF-STEM圖像；

c-e) Au/TiO₂/Pt NMs的STEM-EDS元素分布。

【小結】

在該文中，研究人員利用簡單的方法構筑了一種新型非中心對稱的Au/TiO₂ 納米菇結構。此外在陽光照射下，即使無犧牲試劑，上述納米菇結構亦能展現出優異的光催化產氫活性，具有一定實際應用的價值。在陽光照射下，TiO₂納米粒子向Au納米棒的電子轉移占主導地位。Au/TiO₂ NMs催化劑光催化效率的提升主要是由于直接電荷分離以及形成了空間分離的氧化還原反應區域。上述工作顯示出非中心對稱形貌催化劑在全分解水反應中存在著巨大潛力。

文獻鏈接：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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