Doi: 10.1016/j.apmate.2021.11.011，本文得到了湖南省重點研發(fā)計劃項目 (No. 2020WK2004)、湖南省百人計劃、英國GCRF基金(GCRFNGR2-10059)和Leverhulme信托基金(RGP-2018-290)的支持與資助。文章題目：Improved photocatalytic performance of gradient reduced TiO2 ceramics with aligned pore channels利用地球上豐富的水資源作為原料，以及免費的太陽能作為能源，光催化分解水產(chǎn)氫是一種很有前途的制氫技術(shù)。光催化制氫的一個研究重點是找到一種合適的催化劑，既能有效吸收陽光，又能產(chǎn)生足夠多的載體參與水分解的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)。二氧化鈦是一種典型的n型半導(dǎo)體，具有無毒、耐候性良好和成本低廉等優(yōu)點，有成為光電正極材料的潛力。但由于二氧化鈦的帶隙較寬，需要紫外光等短波長光才能將二氧化鈦禁帶上的電子激發(fā)至導(dǎo)帶上，電荷-空穴分離困難，這一缺點限制了二氧化鈦在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用，因此需要對電極材料進行改性。在二氧化鈦的諸多改性方法中，向二氧化鈦純相中引入含有氧空位的Magnéli相的方法，有效地提升了材料的電導(dǎo)率和光電轉(zhuǎn)換效率，被視為提升二氧化鈦光催化性能的創(chuàng)新性策略之一。在本文中，作者利用冷凍澆注法和碳熱還原法，制備了一種具有梯度取向孔結(jié)構(gòu)的亞氧化鈦，取向多孔結(jié)構(gòu)的引入維持了材料的力學(xué)強度并增大了比表面積，Magnéli相的引入在一定程度提升了電荷-空穴的分離效率，使得亞氧化鈦的光電流密度和光電流轉(zhuǎn)換效率，相比于二氧化鈦提升顯著。文章中比較了二氧化鈦、部分還原亞氧化鈦、全還原亞氧化鈦三種材料的電導(dǎo)率，以及它們分別用作取向多孔光電正極材料時的光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率，闡明了梯度取向多孔亞氧化鈦具有較強光催化能力的原因。正是由于適量Magnéli相的引入，既提高了材料的電導(dǎo)率，又不至于形成過多的電子-空穴復(fù)合中心，從而提高了光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。此外，與致密材料相比，多孔材料增大了材料的比表面積，材料的受光面積和產(chǎn)生了光電流的活性位點增加，梯度取向多孔亞氧化鈦的光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率隨孔隙率的增加而增加，這一發(fā)現(xiàn)為光電極材料的制備提供了新的思路。本文利用氧空位自摻雜的方法對取向多孔二氧化鈦進行改性，用來改善二氧化鈦電子-空穴分離困難的問題。其中，孔隙率為30 vol%的梯度取向多孔還原性二氧化鈦光電極，實現(xiàn)了高達9.14 mA/cm2的光電流密度和40.52%的光電轉(zhuǎn)換效率，具體創(chuàng)新點如下：(1) 適量Magnéli相的引入有助于電子-空穴分離二氧化鈦作為一種被廣泛研究的光催化劑，其光電轉(zhuǎn)換效率一直有待提高。本文通過比較同一孔隙率水平下的二氧化鈦、部分還原亞氧化鈦、完全還原亞氧化鈦三種取向多孔光電正極材料的電性能和光電性能，發(fā)現(xiàn)部分還原亞氧化鈦由于氧空位的存在，其電導(dǎo)率相比于二氧化鈦有了顯著提升；而相比于完全還原亞氧化鈦，其內(nèi)部沒有大量的電子-空穴復(fù)合的“陷阱”，保持了較高的電子-空穴分離率和較低的電子-空穴復(fù)合率，這是部分還原亞氧化鈦光電流密度提升的主要原因。(2) 取向多孔結(jié)構(gòu)提升了光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率具有取向排列孔道結(jié)構(gòu)的材料，其力學(xué)強度較高，比表面積也隨著孔隙率的增加而增加，并且由于孔道之間的連通性較好，使得材料能夠更好地接受光照。本文通過比較不同孔隙率水平下的取向多孔亞氧化鈦光電極，最終確定了光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種光電正極材料。張妍，中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室特聘教授，博士生導(dǎo)師，國家四青人才，歐盟“瑪麗居里學(xué)者”，德國“資深洪堡學(xué)者”，湖南省“百人計劃”青年人才，英國巴斯大學(xué)客座研究員。張妍博士畢業(yè)于中南大學(xué)粉末冶金研究院，師從張斗教授和周科朝教授，長期從事壓電鐵電功能陶瓷材料與器件的研發(fā)及其應(yīng)用的工作，2019年底回國任教至今，近三年以第一作者/通訊作者在國際著名期刊Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Joule、Nano Energy (3篇)、Chemical Society Review (2篇)、Acta Materialia、Physics Report、Energy Environmental Science等高水平國際期刊發(fā)表論文20余篇。
Hanyu Gong, Lu Wang, Kechao Zhou, Dou Zhang, Yan Zhang, Vana Adamaki, Chris Bowen, Aleksandrs Sergejevs. Improved photocatalytic performance of gradient reduced TiO2 ceramics with aligned pore channels. Advanced Powder Materials, Doi:10.1016/j.apmate.2021.11.011.
