郭 彪, 赵晨灿, 刘芯辛, 赵 震,3

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034;2. 沈阳师范大学 能源与环境催化研究所, 沈阳 110034;3. 中国石油大学 重质油国家重点实验室, 北京 102249)

当今社会越来越严峻的环境污染和能源危机正在影响着人们的日常生活,为了解决这些问题,开发可再生清洁能源至关重要。氢能是高效率、高安全性的清洁能源,被认为是解决能源危机和环境污染最理想的能源。利用太阳能光催化分解水产氢被认为是非常有前景的制氢方法。

目前,已经发展了很多光催化水分解制氢的催化剂,如金属有机骨架(MOF)[1]、氮化物[2]、硫化物[3]、金属氧化物[4]、非金属聚合物[5]等。在众多光催化剂中,二氧化钛(TiO2)具有高稳定性、无毒、低成本和强氧化能力等优点,被认为是非常有前途的光催化剂。影响TiO2光催化活性的主要因素有:

1) TiO2的晶体结构。TiO2包括3种晶型,分别是锐钛矿、金红石和板钛矿,它们的基本结构单元都为TiO6八面体,但是由于原子的排列方式不同,导致3种晶型的物理化学性能有所差异。研究表明,3种晶型中,锐钛矿TiO2比较稳定,且为直接半导体,光催化活性最高。板钛矿TiO2结构不稳定,自然界中存在稀少。金红石相TiO2最稳定,可以由锐钛矿相和板钛矿相加热处理制备得到[6]。

2) TiO2的晶面。TiO2不同晶面的电子结构和表面能不同,导致不同晶面的氧化还原能力不同,从而影响光催化制氢性能。研究表明,锐钛矿TiO2高表面能{001}晶面具有较好的反应活性。但是,在合成过程中,为了使总表面能最小,高表面能的晶面在晶体生长过程中迅速减少,导致锐钛矿相TiO2晶体大多数暴露的晶面为反应活性较差的{101}晶面。……