原位构筑TiO2异相结纳米阵列促进光催化制氢的研究，成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》
Part 01. 简介
太原理工大学生态环境材料课题组薛晋波副教授团队利用原位溶解-再结晶的方法制备了一种三维TiO2金红石/锐钛矿核壳结构的纳米阵列材料。在无助催化剂条件下，表现出高效的光催化产氢性能，该研究结果发表在国际顶级期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。论文题目为“In-situ construction of TiO2 polymorphic junction nanoarrays without cocatalyst for boosting photocatalytic hydrogen generation”(Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 653, 1630-1641)(一区TOP期刊，影响因子9.9)。论文第一作者是新材料界面科学与工程教育部重点实验室申倩倩副教授，通讯作者是新材料界面科学与工程教育部重点实验室薛晋波副教授。
Part 02. 课题的提出
光催化制氢作为一种绿色能源技术受到了广泛的关注，但界面电荷分离/传输效率不高仍是制约光催化剂进一步应用的关键。传统的异相结构筑只是通过物理方法将两/多相结合，使得纳米材料之间的界面接触质量较差，存在大量的间隙和界面缺陷，很难形成具有强界面作用的内建电场，不利于载流子在界面处的传输，严重影响了界面电荷转移动力学。基于此，我们利用原位溶解-再结晶策略，原位构筑了高质量界面接触和强界面电场的金红石/锐钛矿核壳结构TiO2异相结，从而提高电荷分离效率。
图1 TiO2异相结的光催化水分解示意图
Part 03. 研究内容
要点一：利用NH4+、S2-、Cl-等离子在纳米棒表面的吸附，溶解单晶金红石纳米棒，实现锐钛矿在金红石纳米棒表面的可控成核生长，从而合成了高质量界面接触的TiO2异相结。
图2 (a) AE-TiO2溶解-再结晶过程示意图;R-TiO2、E-TiO2和AE-TiO2的SEM (b-d)图和透射电镜(e-g)图。
要点二：通过“原位”合成的异相结可以形成有效的界面接触，降低两相之间的能量势垒，改善载流子转移动力学，促进了光生载流子在TiO2异相结上的有效分离。
图3 (a-c）R-TiO2、E-TiO2和AE-TiO2在0.6–0.8 V vs. RHE下IMPS的复平面图和（d-f）从不同电位下IMPS拟合数据中提取参数的值。
要点三：通过Comsol模拟计算，说明“原位”方法构建的TiO2异相结材料比物理方法制备的TiO2异相结催化剂可以形成更紧密的界面接触和更大的接触面积，从而高效的促进了界面电荷转移。
图4 （a-c）TiO2金红石-锐钛矿异相结不同界面接触区域的电流图。（d-f）TiO2金红石-锐钛矿异质结的不同界面接触区域的电场图。
要点四：制备的金红石/锐钛矿TiO2异相结材料在模拟太阳光照射(AM 1.5G)下具有良好的光催化产氢活性，其产氢速率最高可到4 μmol cm-2·h-1，是R-TiO2的39倍。
图5 三种光催化剂的光催化产H2性能：（a)产率，(b)产量，(c)光稳定性测试，(d)性能对比图。
Part 04. 创新点
通过原位溶解-再结晶的方法，合成了具有独特三维阵列结构的TiO2同质异相结，减少了界面缺陷，降低了界面接触势垒，促进了载流子的迁移。
