渤海大學鄂濤團隊&大連工業大學肖鑫宇MTCHEM：光電子的儲存和再釋放增強TiO2光催化活性

研究背景

催化劑中異質結，表面缺陷工程和電子存儲延緩釋放的組合設計鮮有報道。本文報道了一種基于多層CoOOH上負載TiO₂的光催化劑，在異質結結構基礎質上，實現對TiO₂表面的氧缺陷結構的調控。相較于Co₃O₄上的TiO₂，存在更多的氧空位，并通過多層結構獲得儲存光生電子后的逐次釋放。在光催化氧化Rh-B的過程中，提升了4倍的活性（相較于TiO₂）。作為一種新穎且獨特的結構組合，不俗的性能值得被加以肯定，并有希望在未來繼續深入研究。

文章簡介

近日，大連工業大學輕工與化學工程學院肖鑫宇為第一作者，渤海大學鄂濤教授作為第二作者，楊姝宜副教授為通訊作者的研究成果《Storage and re-release of photoelectrons to enhance the photocatalytic activity of TiO₂》在期刊《Materials Today Chemistry》發表。本文通過異質結的設計完成對二氧化鈦表面缺陷的調控。濕化學法完成Co₃O₄和CoOOH上TiO₂的負載，并且通過異質結實現傳輸光生電子的可能。與此同時，二氧化鈦表面擁有明顯的氧空位。CoOOH的存儲電子能力實現二氧化鈦光電子的逐步釋放，這是一種從未有過的延緩光生載流子復合時間的新穎設計。這一結構為設計新型光催化劑的結構以及未來光催化劑中異質結材料的選擇提供了更為廣泛的可能。

圖形摘要

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本文要點

要點一: TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH結構

圖1

(a-c) Co₃O₄-TiO₂-450和Co₃O₄-TiO₂-650的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、紫外漫反射光譜和拉曼光譜;

(d-f) Co₃O₄-TiO₂-450中Ti 2p、O 1s和Co 2p的XPS光譜；

(g) TiO₂到Co₃O₄的光電子轉移示意圖。

圖2?

(a-d) Co₃O₄、Ca₉Co₁₂O₂₈和CoOOH的XRD譜圖和SEM圖;

(e-g) CoOOH和TiO₂-CoOOH的XRD譜圖和SEM圖;

(h) TiO₂-CoOOH模型圖。

圖3

(a-c) TiO₂和TiO₂-CoOOH的紅外光譜,拉曼光譜和電子順磁共振光譜;

(d) TiO₂和TiO₂-CoOOH光電子傳輸示意圖；

(e-g) TiO₂、CoOOH和TiO₂-CoOOH中的Ti 2p， O 1s和Co 2p的XPS光譜;

(h) TiO₂和TiO₂-CoOOH的紫外漫反射光譜;

(i) TiO₂-CoOOH的光電子遷移路徑和能級結構。

要點二：TiO₂-CoOOH中光電子傳輸機理

圖4

(a-b) TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH的光致發光光譜;

(c-e) TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH在不同激發波長下的熒光壽命曲線;

(f) CoOOH對TiO₂的光電子輸運機理。

圖5?

(a-c) TiO₂(銳鈦礦),TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH在暗反應和光催化階段對Rh-B的吸附和降解速率；

(d-h) TiO₂-CoOOH在循環壽命、不同pH、不同用量下對Rh-B的降解率;

(f和g) TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH光催化還原六價鉻，加入KI(空穴捕集劑)后的光催化還原率；

(i) TiO₂-CoOOH中光解，吸附和光催化占比；

(j) CoOOH對TiO₂光電子遷移機理。

結論

綜上所述，通過熔鹽法和溶膠凝膠法制備TiO₂-Co₃O₄和TiO₂-CoOOH光催化劑。TiO₂獲得了更多數量的氧空位通過在CoOOH上負載，并構建了新的帶隙，提升可見光的吸收以及促進光生載流子的分離。此外，CoOOH通過Z型異質結對光生電子的遷移做出貢獻，多片層結構實現電子的存儲和隨機逐層釋放，多波段的熒光發射光譜證實這一推測。50min內完成對Rh-B(10 mg/L)的完全降解，相較TiO₂提升了4倍，比TiO₂-Co₃O₄提升了2倍。這項工作顯得極具創新性，在Z型異質結的框架下，引入可存儲電子的多層CoOOH，不僅造就表面大量的缺陷結構，并且實現逐次延緩載流子的復合。

作者簡介

第一作者?肖鑫宇：大連工業大學輕工技術與工程專業博士研究生。研究興趣：重金屬修復技術和光催化木質素解聚。目前在Mater. Today Chem，Sep.?purif. Technol期刊上發表SCI收錄論文4篇。

電子郵箱：21013082200003@xy.dlpu.edu.cn

第二作者 鄂濤：博士，教授，渤海大學環境工程專業帶頭人，碩士研究生導師。遼寧省毛皮綠色制造產業技術創新戰略聯盟理事長，渤海大學環境研究院副院長，錦州市金屬材料產業創新聯盟專家委員，渤海大學環保產業技術研究所所長。研究興趣：化工清潔生產工藝，土壤與水污染修復技術、低碳減碳工藝技術開發及鈦基功能材料的制備工藝及應用。在ACS Appl Mater Interfaces，J?Hazard Mater，Sep Purif Technol，J CLEAN PROD，Mater. Today Chem， J. Environ. Chem. Eng等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文25篇，主持24項科研項目，以第一發明人獲得授權發明專利13項，單項專利轉化額度超100萬，近三年科技成果轉化合同金額623萬。

電子郵箱：etao@bhu.edu.cn

通訊作者 楊姝宜：渤海大學環境工程專業副教授，碩士生導師。研究興趣：土壤修復技術和固體廢物資源化。在J?Hazard Mater，J CLEAN PROD，ACS Appl Mater Interfaces，Sep Purif Technol，Mater. Today Chem，J. Alloys Compd等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文16篇，擔任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Cleaner Production》，《Journal of Polymers and the Environment》等SCI知名期刊審稿人。

電子郵箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

文章信息

第一作者：肖鑫宇

第二作者：鄂濤

通訊作者：楊姝宜

通訊單位：渤海大學

DOI：?10.1016/j.mtchem.2022.101134

Xiao X, Yang S, Li Y. Storage and re-release of photoelectrons to enhance the photocatalytic activity of TiO₂[J]. Materials Today Chemistry, 2022, 26: 101134.

供稿人：渤海大學：鄂濤