NML研究论文 | 高效光解水制氢催化剂：g-C3N4/TiO2纳米管阵列异质结

纳微快报Nano-Micro Letters

Efficient Photoelectrochemical Water Splitting by g-C₃N₄/TiO₂ Nanotube Array Heterostructures

ChanghaiLiu¹, Fang Wang¹, Jin Zhang¹, Ke Wang¹,Yangyang Qiu¹, Qian Liang², Zhidong Chen^{2, *}

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 37

DOI: 10.1007/s40820-018-0192-6

本文亮点

1   通过钛箔的阳极氧化和高温焙烧过程制备了g-C₃N₄修饰的有序TiO₂纳米管阵列（TINTA）。

2    g-C₃N₄/ TNTA异质结有效提高了太阳光驱动水裂解的光电化学活性。其光电流密度和偏差光电转化效率分别为~0.86mA/cm²和~0.25％，比原始TiO₂纳米管阵列高约2倍。

3    异质结扩大了TNTAs的光学吸收范围，加速了载流子迁移，并且通过TiO₂和g-C₃N₄之间的有效能带排列抑制了光生电子-空穴对的复合。

内容简介

太阳能电解水制氢是提供可持续供应氢能的有效途径，可以用于燃料电池汽车或者其他储氢动力设备。但是，氢气这种清洁能源的大规模应用所面临的重大挑战是制氢成本，而这一问题有望通过光解水制氢得以解决，即在太阳能作用下，通过光电化学（PEC）水裂解电池将水直接裂解成氢气和氧气。因此，储量丰富与价格便宜的高效光解水电催化剂和光电催化剂的开发，成为近年来的研究热点和重点。

TiO₂纳米管阵列是一种常用的光催化剂，但TiO₂的禁带宽度大（~3.2 eV），对太阳光的吸收效率很低（只吸收4%的紫外光）。

g-C₃N₄具有很高的热稳定性和化学稳定性，以及优异的电子特性，是目前光催化领域的新宠。已有相关研究者用化学气相沉积法和电沉积法将TiO₂和g-C₃N₄复合在一起，获得了高效的光电催化性质。

常州大学陈智栋和刘长海课题组，利用阳极氧化+高温焙烧三聚氰酸三聚氰胺的方法，制备出g-C₃N₄修饰的有序TiO₂纳米管阵列异质结催化剂。该催化剂在1.2V偏压下，光电流和最大光电流转化效率分别达到0.86 mA/cm2和0.25%，为同条件下纯TiO₂纳米管阵列的2倍。

这种异质结构光解水催化效率的提升可归因于：增加了TiO₂纳米管阵列的太阳光吸收波段范围、加速了载流子迁移、抑制了光生电子-空穴对的复合。这项研究为低成本制备高效光催化剂提供了一种简便适用的方法，同时加深了对于PEC过程中半导体光阳极催化剂的作用机理的理解。

图文导读

1  TNTA和g-C₃N₄/ TNTA光电极的制备过程

在典型的合成工艺中，分别用Ti箔（99.9％）和1×1 cm²的铂片作为工作电极和反电极。将0.5 wt％的NH₄F溶解在20 mL水和80 mL甘油中来制备电解质溶液。依次用丙酮、乙醇和去离子水对Ti箔进行超声清洗（1×4 cm²，厚度0.3 mm）。

通过改进的一步阳极氧化法，在室温和30 V条件下下经过2 h在Ti箔上合成有序排列的TNTA。随后，用去离子水充分冲洗合成的TNTA前驱体，在空气中和550℃条件下以3℃/min的加热速率焙烧2小时，然后自然冷却至室温。

2  纳米管阵列的表面形貌

用原子力显微镜（AFM）进一步研究了纳米管阵列的表面形貌。TNTAs和g-C₃N₄ / TNTA的特征二维图像显示，制备的TNTAs轮廓清晰，并且用g-C₃N₄涂覆的纳米管内径显著降低。2D AFM图像显示TNTA和g-C₃N₄/TNTA的管壁厚度分别为~59和91 nm。

3   g-C₃N₄/ TNTA异质结电极的电荷转移机理

通过研究推测可能的机理为：g-C₃N₄与TNTAs结合形成匹配良好的异质结，因为g-C₃N₄的价带和导带都高于TiO₂。在光照下，电子由g-C₃N₄的价带激发至导带，然后转移到TiO₂纳米管的导带并在g-C₃N₄的价带中留下空穴。最后，电子通过外部电路转移到对电极，消耗H⁺产生H₂。

作者简介

2000年获日本山口大学博士学位，曾就职于日本大阪表面处理研究所从事应用电化学的研究，2002年归国后主要从事应用电化学的教学和研究工作。

主要研究方向：

化学修饰电极、电池的电极材料、印制线路板表面处理、电容器。

主页链接：

http://clxy.cczu.edu.cn/2014/0516/c2523a34092/page.htm

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