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文章信息

蛋黃殼納米反應器中三元空間結的構建實現高效光熱催化產氫

第一作者：李勇

通訊作者：薛晉波*

單位：太原理工大學

研究背景

利用太陽光驅動分解水制氫是解決環境污染、能源衰竭等問題的理想方案，將熱化學和光化學相結合的光熱協同催化是提高析氫效率的一種最具前景的方法。

不幸的是，快速的熱量損失和載流子重組嚴重影響太陽能的利用和轉換效率。通過精確控制催化材料的微/納米結構和合理構造同質/異質結是改善熱積聚能力和抑制光生電荷復合的一條行之有效的策略。

文章簡介

基于此，太原理工大學薛晉波副教授，在國際著名期刊Chemical Engineering Journal（影響因子：10.652, 中科院JCR1區，TOP期刊）上發表題為“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異質結直接將太陽能轉化為熱能以驅動水中氧氣的活化，用于同步光熱–光催化降解有機污染物的工作基礎上(Journal of Materials Chemistry C, 2020, 8, 1025, https://doi.org/10.1039/C9TC05504E), 該工作研究了三元C@TiO2/TiO2-x納米反應器中熱量積聚、空間同質–異質結和表面氧空位實現高效光熱催化產氫的協同效應。

本文要點

要點一：采用簡單涂覆–煅燒–自摻雜策略，首先將TiO2前驅體負載于碳納米球表面；然后，通過優化退火工藝，實現C@TiO2 yolk–shell結構的精準調控；最后，采用Ti3+自摻雜方法以構建C@TiO2/TiO2-x三元空間結納米反應器。

圖1 催化劑合成與形貌結構分析

要點二：利用碳芯（納米加熱器）的光熱效應和yolk–shell結構的熱積聚效應，可以減少熱量損失，積聚碳核產生的熱量，從而在空間結界面處實現有效的熱定位，表明C@TiO2/TiO2-x納米反應器具有良好的光熱轉化能力。

圖2 催化劑光熱轉化能力表征

要點三：通過表面光電壓、光電流測試、能帶結構分析、FDTD模擬和DFT計算，充分表明三元空間同質–異質結能夠有效促進載流子的分離和轉移。

圖3 催化劑界面載流子動力學分析

要點四：耦合碳芯的光熱效應、yolk–shell結構的熱積聚效應和表面氧空位的電子儲存效應，有效地增強了C@TiO2/TiO2-x納米反應器的光熱催化產氫效率。

圖4. 催化劑析氫性能、穩定性測試及性能對比

本文鏈接

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

通訊作者介紹

薛晉波，男，山西陽城人，副教授，工學博士，博士生導師。

山西省科技創新團隊核心成員，“三晉人才”支持計劃青年優秀人才。主要研究方向為“半導體薄膜材料”的設計、制備及其在環境與能源中的應用。先后主持國家自然科學基金1項，山西省重點研發項目1項，山西省青年科技研究基金1項，山西省高等學校創新基金1項，山西省回國留學人員科研項目1項。以第一作者及通訊作者在Appl. Catal. B-Environ, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Mater. Chem. C, J. CO2 Util.，Appl. Surf. Sci., J. Alloy. Compd.等化學和材料領域國際權威刊物上發表發表高水平論文50余篇，授權國家發明專利5項。

第一作者介紹

李勇，博士研究生。

研究方向主要圍繞C@TiO2基光熱催化劑的設計，及其在光催化污染物降解與水分解制氫等經典反應領域的應用，在Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. C, Appl. Catal. B-Environ.等材料和化學領域國際權威刊物上發表SCI署名研究論文4篇。

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