原位同步辐射研究新型CoOx/TiO2光解水催化反应机理

随着化石能源的日趋枯竭和全球能源竞争的白热化，发展高效、清洁、可再生的新能源技术已成为各国政府的重要目标，太阳能水分解制氢技术有望成为解决能源危机的有效途径之一。为了进一步提高太阳能水分解的能量转换效率，亟需从原位角度深入认识光解水的催化反应机理。本项目拟在合肥同步辐射光源XAFS实验站上建立光催化原位XAFS实验方法，实现激发光波长和亮度可调、光催化反应温度可控的原位XAFS信号测量。应用原位在线XAFS技术研究新型CoOx/TiO2基催化剂的活性中心在不同激发环境下光解水过程中原子结构和电子结构的变化规律，结合密度泛函理论计算了解水在催化剂表面的分解路径，探索光解水的催化反应机理，为新型高效廉价的过渡金属基光解水催化剂的优化设计和可控制备提供实验基础和理论依据。

在合肥同步辐射光源建立了原位光催化XAFS实验方法，为课题组和国内高水平用户开展太阳能转化功能材料的催化反应动力学过程的研究提供了良好的表征平台。利用同步辐射XAFS技术结合X射线衍射、高分辨电镜、电化学阻抗谱和第一性原理理论计算等研究了TiO2基、Fe2O3基和Co基等催化剂材料的结构和催化活性的内在关系。首次提出一种通过形成界面“矢量迁移通道”的能级结构来引导光生载流子迁移的途径。同步辐射XAFS技术结合掠入射XRD谱和密度泛函理论计算证实了包覆在高度有序的TiO2纳米管阵列表面的Fe2TiO5窄禁带半导体材料薄层在Fe2TiO5/TiO2之间形成载流子分离界面，成功地将光生空穴从材料内部定向迁移到表面催化反应活性位点，显著提高了400至600nm可见光波长范围的量子转换效率。利用同步辐射XAFS技术给出了Ni修饰Fe2O3纳米管表面层的结构，发现通过Ni取代表面层Fe离子的位置，可以有效增加光生空穴载流子沿管壁径向的迁移长度，加速了表面水氧化反应、减少了空穴的聚集和降低了电子空穴对的复合，显著提高了Fe基氧化物在可见光区光解水的量子效率。基于廉价的TiO2半导体材料，设计了一种N-S阴阳离子共掺杂修饰TiO2能带结构的模式，能够有效的传输可见光激发的光生空穴。其显著降低的电荷迁移阻抗和增强的载流子迁移能力使得N-S共掺杂TiO2光电极材料在450至550nm波段的内量子效率得到极大提升。研究结果为进一步优化设计高效、廉价的可见光水分解催化剂提供了实验指导和理论依据。