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可控合成具有氧化还原分区的Au-TiO2纳米哑铃光催化剂(英文)

作者:刘叶 肖兆忠 曹爽 李金辉 朴玲钰

关键词: Au纳米棒 哑铃结构 光催化水分解 可控合成

摘要:太阳能因其环保清洁和来源丰富的特性被认为是最理想的资源之一.而光催化水分解是将太阳能转化为化学能的众多转换技术中,使用最广泛的策略之一.但H2和O2的逆反应显著降低了光催化水分解的效率,并且在实际应用中需要高昂的气体分离成本.因此,找到一种既可实现光催化有效水分解,同时抑制逆反应的策略具有十分重要的意义.到目前为止,为了实现光生电荷的有效分离,构建一维(1D)异质纳米结构光催化剂,被认为是抑制逆反应最有效的策略之一.其中哑铃状纳米结构,如Au-SiO2,Au-Fe3O4,Cu1.94S-CuS,Au-PbS(PbSe),Cu-Ag,Ag-Fe3O4,在促进光生电荷有效分离方面具有很大优势.但关于上述哑铃状纳米结构材料合成条件相对复杂,生长机理尚不清楚.对此,我们通过一种简便的合成策略制备了Au纳米棒/TiO2纳米哑铃结构光催化剂(Au NRs/TiO2 NDs).TiO2纳米颗粒(NP)仅包裹在Au NRs的两端.由于其独特的结构,可以实现电子空穴的定向分离,并减少它们在光照射下的复合,从而显著地提高电荷分离效率.同时,形成了氧化和还原反应的空间分离区域,从而有效地抑制了逆反应.通过SEM,XRD,和UV-Vis研究了可控合成哑铃状结构形态的关键因素.发现反应温度和酸度对Au NRs末端TiO2的包裹量有显著影响.基于此,我们提出了Au NRs/TiO2 NDs结构光催化剂的合成机理.并且通过改变加入的NaHCO3含量精准调节TiO2在Au NRs两端的包覆量,从而逐步提高Au NRs/TiO2 NDs光催化剂的产氢活性.在不断优化条件下,H2产率可达60264μmol/g/h,大约是报道的Au/TiO2光催化剂6倍.而电化学测试结果显示,在UV光照射下,Au NRs末端TiO2的包裹量越大,光电流相应越大.进一步证明光生电子定向从TiO2注入到Au NRs中,发生还原反应,而空穴留在TiO2上,发生氧化反应,从而实现氧化还原反应的分区.


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