Patrik Schmuki Adv. Funct. Mater.：Au/WO3/TiO2納米陣列增強光催化產氫性能

【引言】

自Fejishima和Honda證明TiO₂是一種光解水的光電陽極材料以來，TiO₂就成了光催化劑的研究熱點。TiO₂表面能夠產氫歸因于其半導體結構和有利的帶隙位置。TiO₂導帶的下邊緣電位高于H₂O/H₂的氧化還原電位，因此紫外光的照射下，TiO2導帶的光生電子可以還原H₂O生成H_2。本文通過構筑Au/WO₃/TiO₂納米管陣列，設計了Au-WO₃- TiO₂協同光解水產氫催化劑。

【成果簡介】

近日，阿卜杜拉國王科技大學Patrik Schmuki教授團隊在Adv. Funct. Mater.上發表一篇題為“A Cocatalytic Electron-Transfer Cascade Site-Selectively Placed on TiO₂ Nanotubes Yields Enhanced Photocatalytic H₂ Evolution”的文章。光生載流子的分離和傳導是設計光催化劑考慮的重要因素，因此TiO₂作為光催化劑被廣泛研究。該研究設計了TiO₂–WO₃–Au納米陣列催化劑，可實現納米級精確的光催化產氫，且TiO₂–WO₃–Au性能較Au-TiO₂提高了一倍。通過選擇位點沉積和自序熱去潤濕法可控制WO₃/Au的結構。WO₃作為TiO₂導帶電子的緩沖層，使電子有效地轉移到Au納米顆粒上，形成合適的產氫環境。同時由于在納米管中能帶向上彎曲且擴散路徑短，因而促進了空穴的傳輸，有利于和電解液中的空穴犧牲劑發生反應。

【圖文導圖】

圖1 TiO₂納米陣列的形貌和結構表征

(a) 原始TiO₂的SEM圖，插圖為剖視圖

(b) W層負載TiO₂的SEM圖，W層厚10±0.3nm

(c)-(d)熱解前后的Au-WO₃- TiO₂的SEM圖

(e) 負載催化劑的TiO₂納米陣列的XRD圖

(f) Au-WO₃- TiO₂以及Au 4f、W4f的XPS圖

圖2 TiO₂–WO₃–Au 納米陣列的形貌及W含量與層厚度的關系圖

(a)-(d) 負載不同W含量的TiO₂納米管的掃描圖

(e) 負載不同W含量的TiO₂納米管的表面成分分析

圖3 1Au–1WO₃–TiO₂的形貌表征及TiO₂納米陣列產氫性能圖

(a) 1Au–1WO₃–TiO₂的SEM圖

(b) 1Au–1WO₃–TiO₂的TEM圖

(c) 銳鈦礦型TiO₂的（101）晶面、單斜WO₃的（120）晶面和Au的（111）晶面

(d)–(e)不同TiO₂納米陣列的光催化產氫性能圖

(f) 1Au–1WO₃–TiO₂的示意圖及可能的產氫機理

圖4 TiO₂納米陣列的等效電路模型及其EIS性能

(a)-(b) 用于EIS數據擬合的等效電路模型

(e)-(f) 369nm光照下的幾種TiO₂納米陣列的Bode圖

圖5 Au-WO₃- TiO₂的光催化產氫性能

(a) xAu-1WO₃-TiO₂納米陣列的產氫性能

(b) 1Au-xWO₃-TiO₂納米陣列的產氫性能

【小結】

本研究通過金屬濺射沉積法和熱去潤濕法構筑得到Au/WO₃/TiO₂納米陣列，形成了一種高效的光解水產氫催化劑。此外，選擇性濺射沉積金屬薄膜法能夠實現對助催化劑/光催化劑結構的高度控制以及一些先進的功能，如快速和定向電子運輸轉移等，從而大大提高了光催化效率。

文獻鏈接：A Cocatalytic Electron-Transfer Cascade Site-Selectively Placed on TiO2 Nanotubes Yields Enhanced Photocatalytic H2 Evolution（Adv. Fun. Mat., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704259 ）

本文由材料人編輯部張頌歌編譯， 趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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