西安交通大学、西安交通大学苏州研究院–操纵TiO2-石墨烯-Ta3N5异质结高效Z-型光催化纯水裂解

二氧化钛(TiO₂)基光催化剂是太阳能水裂解中最热门的一类材料，由于其带隙宽，仅在紫外区响应，电荷转移缓慢，目前取得的研究成果有限。本文报道了一种采用超声-水热法合成的TiO₂-石墨烯-Ta₃N₅三元杂化光催化剂。与原始的TiO₂和Ta₃N₅相比，制备的TiO₂-石墨烯-Ta₃N₅的光催化纯水裂解行为显著增强，最佳的H₂-演化速率为180 μmol h^-1 g^-1。结合系统表征，我们证明了增强的光催化性能归因于可见光利用率和电荷转移行为的改善。我们发现水裂解是通过Z-型机制实现的，其中二维层状石墨烯作为桥梁，加速了电子从TiO₂向Ta₃N₅的转移。这项工作为设计高效的TiO₂基光催化剂开辟了道路，通过嵌入导电层在太阳能燃料转换过程中实现快速电子转移。

图1. TiO₂-0.5%G-Ta₃N₅异质结的(a) SEM,(b) TEM,(c) HRTEM,(d) STEM和(e-j)对应的元素映射图。

图2. 不同石墨烯质量分数的TiO₂、Ta₃N₅和TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的XRD图谱。

图3. 不同质量分数的石墨烯的TiO₂、Ta₃N₅和TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的UV漫反射光谱。

图4. 制备的光催化剂中(a) XPS扫描光谱和高分辨率XPS测量光谱 (b)C 1 s， (C) Ti 2p， (d) O 1 s， (e) Ta 4f和(f) N 1 s。

图5. 在Xe灯照射下，根据TiO₂、Ta₃N₅和不同质量分数的TiO₂-G-Ta₃N₅异质结上的纯水裂解的(a)有Pt或(b)无Pt的氢评估。

图6. TiO₂、Ta₃N₅和不同TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的载流子散射特性。a-d分别为光电流图像、线性扫描伏安曲线、荧光光谱发射曲线、电子阻抗谱。

图7. 通过TiO₂、Ta₃N₅和不同TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的(a)Tauc图和(b) Mott-Schottky图测量能带结构特征。

图8. 用EPR法检测Ta₃N₅和不同TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的羟基自由基。

图9. TiO₂-G-Ta₃N₅异质结的能带结构和光催化纯水裂解过程中的电子转移机理示意图。

相关研究成果由西安交通大学、能源与动力工程学院动力工程多相流国家重点实验室、西安交通大学苏州研究院Maochang Liu等人于2022年发表在Materials Research Bulletin (https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.111782)上。原文：Manipulating a TiO₂-graphene- Ta₃N₅ heterojunction for efficient Z-scheme photocatalytic pure water splitting。