Patrik Schmuki Adv. Funct. Mater.：Au/WO3/TiO2纳米阵列增强光催化产氢性能

【引言】

自Fejishima和Honda证明TiO₂是一种光解水的光电阳极材料以来，TiO₂就成了光催化剂的研究热点。TiO₂表面能够产氢归因于其半导体结构和有利的带隙位置。TiO₂导带的下边缘电位高于H₂O/H₂的氧化还原电位，因此紫外光的照射下，TiO2导带的光生电子可以还原H₂O生成H_2。本文通过构筑Au/WO₃/TiO₂纳米管阵列，设计了Au-WO₃- TiO₂协同光解水产氢催化剂。

【成果简介】

近日，阿卜杜拉国王科技大学Patrik Schmuki教授团队在Adv. Funct. Mater.上发表一篇题为“A Cocatalytic Electron-Transfer Cascade Site-Selectively Placed on TiO₂ Nanotubes Yields Enhanced Photocatalytic H₂ Evolution”的文章。光生载流子的分离和传导是设计光催化剂考虑的重要因素，因此TiO₂作为光催化剂被广泛研究。该研究设计了TiO₂–WO₃–Au纳米阵列催化剂，可实现纳米级精确的光催化产氢，且TiO₂–WO₃–Au性能较Au-TiO₂提高了一倍。通过选择位点沉积和自序热去润湿法可控制WO₃/Au的结构。WO₃作为TiO₂导带电子的缓冲层，使电子有效地转移到Au纳米颗粒上，形成合适的产氢环境。同时由于在纳米管中能带向上弯曲且扩散路径短，因而促进了空穴的传输，有利于和电解液中的空穴牺牲剂发生反应。

【图文导图】

图1 TiO₂纳米阵列的形貌和结构表征

(a) 原始TiO₂的SEM图，插图为剖视图

(b) W层负载TiO₂的SEM图，W层厚10±0.3nm

(c)-(d)热解前后的Au-WO₃- TiO₂的SEM图

(e) 负载催化剂的TiO₂纳米阵列的XRD图

(f) Au-WO₃- TiO₂以及Au 4f、W4f的XPS图

图2 TiO₂–WO₃–Au 纳米阵列的形貌及W含量与层厚度的关系图

(a)-(d) 负载不同W含量的TiO₂纳米管的扫描图

(e) 负载不同W含量的TiO₂纳米管的表面成分分析

图3 1Au–1WO₃–TiO₂的形貌表征及TiO₂纳米阵列产氢性能图

(a) 1Au–1WO₃–TiO₂的SEM图

(b) 1Au–1WO₃–TiO₂的TEM图

(c) 锐钛矿型TiO₂的（101）晶面、单斜WO₃的（120）晶面和Au的（111）晶面

(d)–(e)不同TiO₂纳米阵列的光催化产氢性能图

(f) 1Au–1WO₃–TiO₂的示意图及可能的产氢机理

图4 TiO₂纳米阵列的等效电路模型及其EIS性能

(a)-(b) 用于EIS数据拟合的等效电路模型

(e)-(f) 369nm光照下的几种TiO₂纳米阵列的Bode图

图5 Au-WO₃- TiO₂的光催化产氢性能

(a) xAu-1WO₃-TiO₂纳米阵列的产氢性能

(b) 1Au-xWO₃-TiO₂纳米阵列的产氢性能

【小结】

本研究通过金属溅射沉积法和热去润湿法构筑得到Au/WO₃/TiO₂纳米阵列，形成了一种高效的光解水产氢催化剂。此外，选择性溅射沉积金属薄膜法能够实现对助催化剂/光催化剂结构的高度控制以及一些先进的功能，如快速和定向电子运输转移等，从而大大提高了光催化效率。

文献链接：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 ）

本文由材料人编辑部张颂歌编译， 赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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