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《自然·催化》:表面光生空穴浓度决定TiO2光催化析氧性能
更新日期:2018-05-09  

  2018417日,《自然·催化》在线发表了华东理工大学胡培君/王海丰教授团队关于TiO2光催化析氧方面的论文(Identifying the key obstacle in photocatalytic oxygen evolution on rutile TiO2, Nature Catalysis, 2018, 1, 291–299, DOI: 10.1038/s41929-018-0055-z),论文定量分析了水/TiO2(110)界面处OER反应的全过程,确定了表面光生空穴浓度是限制TiO2光催化OER活性的关键因素。 

  利用太阳能光催化分解水制氢是解决人类能源问题的重要途径,其中析氧半反应(oxygen evolution reaction, OER)是光解水反应中限制整体催化活性的瓶颈所在。人们通常认为,OER需要克服较高的反应能垒,而大多数光催化剂(如TiO2)的本征催化活性不足,从而导致了OER较低的催化效率。理解OER反应的机理对合理设计催化剂体系,提升光催化剂性能具有重要的指导作用。但受OER反应的复杂性以及传统研究手段的局限性影响,过去的研究并没有完全弄清楚这些问题。 

  作者选取最稳定的金红石TiO2(110)表面作为模型催化剂体系,对于水/TiO2界面发生的光催化OER各个基元步骤进行了详尽的第一性原理分子动力学模拟(AIMD)计算研究;通过系统性研究包括H2O的解离、活性自由基的产生、O-O偶联等完整的OER反应路径,明确了自由基参与的双反应通道机理;结合微观动力学方法定量分析了光催化OER的全过程,揭示了实验条件下TiO2的本征催化活性并不是限制OER效率的重要因素,而真正的决定性因素是成功迁移到达TiO2表面的光生空穴的浓度。作者表示,这一结果表明在光生空穴浓度达到理论阈值(10-4)之前,提升OER光催化效率的关键在于增大光生空穴的浓度,而非致力于降低反应能垒。 

  (综合华东理工大学研之成理公众号 

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