PHOTOCATALYTIC HYDROGEN GENERATION FROM WATER BY TiO2/Co3O4 COMPOSITE PHOTOCATALYSIS  

TiO?/Co?O?復(fù)合光催化劑光催化分解水產(chǎn)氫  

來源：Malaysian Journal of Analytical Sciences (MJAS), Volume 26, 2022, Pages 581-588

《馬來西亞分析科學(xué)雜志》第26卷，2022年，頁碼581-588  

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過水熱合成結(jié)合球磨法制備了TiO?/Co?O?復(fù)合光催化劑（Co?O?負(fù)載量0.5%-2%），用于光催化分解水產(chǎn)氫。FESEM表征顯示復(fù)合材料呈現(xiàn)納米球與立方體混合形貌（圖2）。采用丹麥Unisense氫傳感器原位監(jiān)測產(chǎn)氫性能，發(fā)現(xiàn)1% Co?O?負(fù)載量（TC-1）在純水中產(chǎn)氫速率最高（6.75 μmol·h?1·g?1），添加10%甲醇犧牲劑后提升至20.22 μmol·h?1·g?1（圖4）。電化學(xué)分析表明TC-1具有最低電荷轉(zhuǎn)移阻抗（圖3b），其p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效促進(jìn)光生載流子分離（圖5）。  

 

 

 

 

研究目的

 

1. 解決TiO?光催化劑帶隙寬（3.2 eV）、可見光吸收弱及電子-空穴復(fù)合快的問題  

2. 構(gòu)建TiO?/Co?O? p-n異質(zhì)結(jié)提升光催化產(chǎn)氫效率  

3. 優(yōu)化Co?O?負(fù)載量（0.5%-2%）以實現(xiàn)最高產(chǎn)氫性能  

 

研究思路

 

1. 材料制備：  

   ? 水熱法合成Co?O?納米顆粒，球磨混合TiO? P25與Co?O?  

 

   ? 550℃退火制備TC-05（0.5%）、TC-1（1%）、TC-2（2%）復(fù)合物  

 

2. 形貌與結(jié)構(gòu)表征：  

   ? FESEM分析表面形貌（圖2）：TiO?呈納米立方體（1.011 μm），Co?O?均勻分散（7.14 nm），TC-2出現(xiàn)團(tuán)聚  

 

3. 電化學(xué)性能：  

   ? 線性掃描伏安法（LSV）測試光電流密度（圖3a）：TC-1達(dá)70 μA·cm?2  

 

   ? 電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析電荷轉(zhuǎn)移能力（圖3b）：TC-1阻抗最低  

 

4. 光催化產(chǎn)氫實驗：  

   ? 使用Unisense氫傳感器實時監(jiān)測產(chǎn)氫速率（圖1）  

 

   ? 對比純水與10%甲醇體系產(chǎn)氫性能（圖4）  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 光電流密度（圖3a）  

   ? 數(shù)據(jù)：TC-1光電流密度（70 μA·cm?2）顯著高于TC-05（45 μA·cm?2）和TC-2（30 μA·cm?2）  

 

   ? 意義：證實1% Co?O?負(fù)載量最佳，過量Co?O?（TC-2）因團(tuán)聚降低活性位點  

 

2. 電荷轉(zhuǎn)移阻抗（圖3b）  

   ? 數(shù)據(jù)：TC-1的Nyquist圓弧半徑最小，電荷轉(zhuǎn)移阻抗最低  

 

   ? 意義：異質(zhì)結(jié)界面電場加速載流子分離，減少電子-空穴復(fù)合  

 

3. 產(chǎn)氫速率（圖4）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? 純水體系：TC-1產(chǎn)氫速率6.75 μmol·h?1·g?1（TC-05：5.10，TC-2：5.70）  

 

     ? 甲醇體系：TC-1提升至20.22 μmol·h?1·g?1（較純水提高3倍）  

 

   ? 意義：  

 

     ? 甲醇作為空穴犧牲劑有效抑制復(fù)合，提升產(chǎn)氫效率  

 

     ? TC-1的p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化電荷分離路徑（圖5）  

 

結(jié)論

 

1. 1% Co?O?負(fù)載量（TC-1）為最優(yōu)比例，純水產(chǎn)氫速率6.75 μmol·h?1·g?1，甲醇體系達(dá)20.22 μmol·h?1·g?1  

2. p-n異質(zhì)結(jié)機(jī)制：Co?O?（p型）與TiO?（n型）形成界面電場（圖5），驅(qū)動光生電子由Co?O?導(dǎo)帶向TiO?導(dǎo)帶遷移，空穴向相反方向遷移，實現(xiàn)高效電荷分離  

3. 過量Co?O?（TC-2）引發(fā)團(tuán)聚，降低比表面積和活性位點，導(dǎo)致產(chǎn)氫性能下降  

 

Unisense氫傳感器的核心研究意義

 

丹麥Unisense氫傳感器在本研究中實現(xiàn)原位實時監(jiān)測光催化產(chǎn)氫動態(tài)過程，其技術(shù)優(yōu)勢包括：  

1. 高靈敏度與實時性：  

   ? 直接檢測微量氫氣（μmol級），分辨率達(dá)0.1 μmol·h?1·g?1，實現(xiàn)20分鐘間隔的連續(xù)監(jiān)測（圖4）  

 

   ? 對比傳統(tǒng)氣相色譜（離線取樣），避免反應(yīng)中斷與氣體損失  

 

2. 反應(yīng)機(jī)理驗證：  

   ? 甲醇添加使產(chǎn)氫速率提升3倍（圖4b），直接證明空穴犧牲劑作用機(jī)制  

 

   ? 結(jié)合電化學(xué)數(shù)據(jù)，明確異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（TC-1）與產(chǎn)氫性能的構(gòu)效關(guān)系  

 

3. 技術(shù)普適性：  

   ? 適用于液相體系原位檢測，避免氣密反應(yīng)器的復(fù)雜設(shè)計（圖1）  

 

   ? 為光催化產(chǎn)氫動力學(xué)研究提供高精度工具，尤其適合低產(chǎn)率體系（如純水分解）  

 

4. 應(yīng)用拓展價值：  

   ? 可集成于光反應(yīng)器在線監(jiān)測系統(tǒng)，為規(guī)?；a(chǎn)氫工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐