薛晋波CEJ：蛋黄壳纳米反应器三元空间结的构建实现高效光热催化产氢

文章信息

蛋黄壳纳米反应器中三元空间结的构建实现高效光热催化产氢

第一作者：李勇

通讯作者：薛晋波*

单位：太原理工大学

研究背景

利用太阳光驱动分解水制氢是解决环境污染、能源衰竭等问题的理想方案，将热化学和光化学相结合的光热协同催化是提高析氢效率的一种最具前景的方法。

不幸的是，快速的热量损失和载流子重组严重影响太阳能的利用和转换效率。通过精确控制催化材料的微/纳米结构和合理构造同质/异质结是改善热积聚能力和抑制光生电荷复合的一条行之有效的策略。

文章简介

基于此，太原理工大学薛晋波副教授，在国际著名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：10.652, 中科院JCR1区，TOP期刊）上发表题为“Construction of a ternary spatial junction in yolk–shell nanoreactor for efficient photo-thermal catalytic hydrogen generation”的研究工作。

在前期C@TiO2异质结直接将太阳能转化为热能以驱动水中氧气的活化，用于同步光热–光催化降解有机污染物的工作基础上(Journal of Materials Chemistry C, 2020, 8, 1025, https://doi.org/10.1039/C9TC05504E), 该工作研究了三元C@TiO2/TiO2-x纳米反应器中热量积聚、空间同质–异质结和表面氧空位实现高效光热催化产氢的协同效应。

本文要点

要点一：采用简单涂覆–煅烧–自掺杂策略，首先将TiO2前驱体负载于碳纳米球表面；然后，通过优化退火工艺，实现C@TiO2 yolk–shell结构的精准调控；最后，采用Ti3+自掺杂方法以构建C@TiO2/TiO2-x三元空间结纳米反应器。

图1 催化剂合成与形貌结构分析

要点二：利用碳芯（纳米加热器）的光热效应和yolk–shell结构的热积聚效应，可以减少热量损失，积聚碳核产生的热量，从而在空间结界面处实现有效的热定位，表明C@TiO2/TiO2-x纳米反应器具有良好的光热转化能力。

图2 催化剂光热转化能力表征

要点三：通过表面光电压、光电流测试、能带结构分析、FDTD模拟和DFT计算，充分表明三元空间同质–异质结能够有效促进载流子的分离和转移。

图3 催化剂界面载流子动力学分析

要点四：耦合碳芯的光热效应、yolk–shell结构的热积聚效应和表面氧空位的电子储存效应，有效地增强了C@TiO2/TiO2-x纳米反应器的光热催化产氢效率。

图4. 催化剂析氢性能、稳定性测试及性能对比

本文链接

Construction of a ternary spatial junction in yolk–shell nanoreactor for efficient photo-thermal catalytic hydrogen generation

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130188

通讯作者介绍

薛晋波，男，山西阳城人，副教授，工学博士，博士生导师。

山西省科技创新团队核心成员，“三晋人才”支持计划青年优秀人才。主要研究方向为“半导体薄膜材料”的设计、制备及其在环境与能源中的应用。先后主持国家自然科学基金1项，山西省重点研发项目1项，山西省青年科技研究基金1项，山西省高等学校创新基金1项，山西省回国留学人员科研项目1项。以第一作者及通讯作者在Appl. Catal. B-Environ, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Mater. Chem. C, J. CO2 Util.，Appl. Surf. Sci., J. Alloy. Compd.等化学和材料领域国际权威刊物上发表发表高水平论文50余篇，授权国家发明专利5项。

第一作者介绍

李勇，博士研究生。

研究方向主要围绕C@TiO2基光热催化剂的设计，及其在光催化污染物降解与水分解制氢等经典反应领域的应用，在Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. C, Appl. Catal. B-Environ.等材料和化学领域国际权威刊物上发表SCI署名研究论文4篇。