表面等离子体增强TiO2纳米管阵列薄膜光催化水解制氢机理研究

针对传统氧化钛光解水制氢材料对太阳光的利用率低和转化效率低的问题，提出将金属表面等离子体催化技术和TiO2 纳米管阵列薄膜结合，利用各自的优势实现太阳光的广范围吸收及由此带来的高效光解水制氢的研究思路。旨在设计合成一系列金属表面等离子体增强的TiO2纳米管阵列薄膜。通过制备方法的探索，实现对材料形貌、晶型、元素组成的调控，研究金属离子/TiO2纳米管的形成和可控生长，获得多种结构、性能优异的金属表面等离子体增强TiO2纳米管阵列薄膜材料。借助时间分辨光谱和理论计算等手段，弄清金属掺杂TiO2纳米管阵列薄膜的光电耦合机制，研究光催化反应机理，获得控制金属表面等离子体催化的新策略和新方法。有效地解决光催化水解制氢效率低的难题。建立宏观动力学模型，从金属表面等离子体微观尺度到宏观的光催化反应器性能的研究方面，取得重要进展。本项目研究结果对纳米结构TiO2光催化的基础研究和技术应用有重要意义。

项目针对传统二氧化钛光催化分解水制氢材料对太阳光的利用率低和转化效率低的问题，将金属表面等离子体技术和TiO2纳米管阵列薄膜结合，实现了太阳光高效光催化分解水制氢的研究目标。优化建立了基于阳极氧化法和微波辅助化学还原法的纳米金属/TiO2纳米管阵列薄膜的普适性复合途径，重点围绕Ag/TiO2、Cu/TiO2、Au/TiO2等纳米管阵列薄膜的构建、晶型结构、元素组成、光学及光电特性、光催化分解水制氢性能及反应机理等开展系列研究工作，实验结果表明，在H2O+NH4F+乙二醇、H2O+NH4F+丙三醇电解液中可制备获得高度有序结构TiO2纳米管阵列，微波辅助化学还原法可将Ag、Cu、Au的纳米颗粒有效分散于阵列薄膜表面，实现了可见光高效捕获和光生载流子的有效分离，在紫外和可见光下均可提高TiO2纳米管阵列的光催化分解水制氢性能，提出了表面金属-半导体肖特基结和金属表面等离子体效应协同光催化分解水制氢机制。同时将金属负载和元素掺杂结合，制备得到Ag-Fe/TiO2和Ag-Ce/TiO2纳米管阵列，使得光催化分解水制氢效率进一步提高，量子效率可分别达到6.7%和7.7%。此外，还获得了Ag/TiO2纳米片、Ag/TiO2纳米线、Au/TiO2纳米草、以及Ag-TiO2-石墨烯等新颖结构光催化分解水制氢催化剂，拓展了表面等离子体技术在光催化领域的研究范围，项目的开展有效增强了TiO2光催化分解水制氢活性，提高了光能利用率，对推动等离子体光催化技术在能源与环境领域的基础研究和技术应用有重要意义。