中南大学张妍教授团队：取向多孔结构增强亚氧化钛陶瓷的光催化性能
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研究背景
利用地球上丰富的水资源作为原料，以及免费的太阳能作为能源，光催化分解水产氢是一种很有前途的制氢技术。光催化制氢的一个研究重点是找到一种合适的催化剂，既能有效吸收阳光，又能产生足够多的载体参与水分解的电化学氧化还原反应。二氧化钛是一种典型的n型半导体，具有无毒、耐候性良好和成本低廉等优点，有成为光电正极材料的潜力。但由于二氧化钛的带隙较宽，需要紫外光等短波长光才能将二氧化钛禁带上的电子激发至导带上，电荷-空穴分离困难，这一缺点限制了二氧化钛在光催化领域的应用，因此需要对电极材料进行改性。在二氧化钛的诸多改性方法中，向二氧化钛纯相中引入含有氧空位的Magnéli相的方法，有效地提升了材料的电导率和光电转换效率，被视为提升二氧化钛光催化性能的创新性策略之一。在本文中，作者利用冷冻浇注法和碳热还原法，制备了一种具有梯度取向孔结构的亚氧化钛，取向多孔结构的引入维持了材料的力学强度并增大了比表面积，Magnéli相的引入在一定程度提升了电荷-空穴的分离效率，使得亚氧化钛的光电流密度和光电流转换效率，相比于二氧化钛提升显著。文章中比较了二氧化钛、部分还原亚氧化钛、全还原亚氧化钛三种材料的电导率，以及它们分别用作取向多孔光电正极材料时的光电流密度和光电转换效率，阐明了梯度取向多孔亚氧化钛具有较强光催化能力的原因。正是由于适量Magnéli相的引入，既提高了材料的电导率，又不至于形成过多的电子-空穴复合中心，从而提高了光电流密度和光电转换效率。此外，与致密材料相比，多孔材料增大了材料的比表面积，材料的受光面积和产生了光电流的活性位点增加，梯度取向多孔亚氧化钛的光电流密度和光电转换效率随孔隙率的增加而增加，这一发现为光电极材料的制备提供了新的思路。
创新点
本文利用氧空位自掺杂的方法对取向多孔二氧化钛进行改性，用来改善二氧化钛电子-空穴分离困难的问题。其中，孔隙率为30 vol%的梯度取向多孔还原性二氧化钛光电极，实现了高达9.14 mA/cm2的光电流密度和40.52%的光电转换效率，具体创新点如下：
具有取向排列孔道结构的材料，其力学强度较高，比表面积也随着孔隙率的增加而增加，并且由于孔道之间的连通性较好，使得材料能够更好地接受光照。本文通过比较不同孔隙率水平下的取向多孔亚氧化钛光电极，最终确定了光电流密度和光电转换效率最高的一种光电正极材料。
作者简介
张妍，中南大学粉末冶金国家重点实验室特聘教授，博士生导师，国家四青人才，欧盟“玛丽居里学者”，德国“资深洪堡学者”，湖南省“百人计划”青年人才，英国巴斯大学客座研究员。张妍博士毕业于中南大学粉末冶金研究院，师从张斗教授和周科朝教授，长期从事压电铁电功能陶瓷材料与器件的研发及其应用的工作，2019年底回国任教至今，近三年以第一作者/通讯作者在国际著名期刊Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Joule、Nano Energy (3篇)、Chemical Society Review (2篇)、Acta Materialia、Physics Report、Energy Environmental Science等高水平国际期刊发表论文20余篇。
邮箱：yanzhangcsu@csu.edu.cn
文章信息
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