黑化掺杂氧化钛纳米管阵列的微结构与光解水制氢研究

Hydrogen energy is a high-efficiency clean energy. Photoelectrochemical water-splitting with semiconducting TiO2 is an important route for hydrogen production. Considering titania photocatalyst’s drawbacks such as low catalysis efficiency and easy-to decay properties, the present project combines the element-doping and metal reduction methods to fabricate high-efficiency and stable photoanodes of black doped TiO2 nanotube arrays. A systematic study on the fabrication technique, microstructure and photoelectrochemical water-splitting properties of the black doped TiO2 nanotube arrays is conducted. The effect of element doping and vacancy/Ti ions on the semiconducting properties and photoelectrochemical water-splitting properties of the black doped TiO2 is investigated through electrochemical analysis and first-principles simulation etc. Both the fabrication method for high-efficiency and stable black photoanode and photoelectrochemical water-splitting mechanism are explored. The black doped TiO2 nanotube arrays fabricated through combining the element doping and blacking method can demonstrate excellent light-adsorbing and photoelectrochemical water-splitting capability, which provides theoretical basis for the design and application of high performance nano-photoanodes.

氢能源是一种高效清洁能源，二氧化钛半导体光解水制氢是提供氢源的重要途径。本项目针对二氧化钛材料光催化效率低、性能易衰减等缺点，通过元素掺杂和金属还原的方式制备高效稳定的黑化掺杂氧化钛纳米管阵列光阳极。项目系统研究黑化掺杂氧化钛纳米管阵列的制备技术、微结构和光解水制氢特性,采用电化学和第一性原理模拟等方法揭示元素掺杂和空位/钛离子对黑化掺杂氧化钛半导体特性与光解水制氢性能的影响规律，探索高效稳定黑化掺杂氧化钛纳米光阳极的制备方法和光解水制氢机理。基于元素掺杂和黑化方法制备的黑化掺杂氧化钛纳米管阵列可表现出优越的光吸收能力和光解水制氢能力，项目研究成果可为高性能纳米光阳极材料的设计和应用提供理论依据。

氢能源是一种高效清洁能源，二氧化钛半导体光解水制氢是提供氢源的重要途径。本项目针对二氧化钛材料光催化效率低、性能易衰减等缺点，通过元素掺杂和金属还原的方式制备新型黑化掺杂氧化钛纳米管阵列光阳极，系统研究了黑化掺杂氧化钛纳米管阵列的制备技术、微结构和光解水制氢特性, 采用电化学和第一性原理模拟等方法揭示元素掺杂和空位/钛离子对黑化掺杂氧化钛半导体特性与光解水制氢性能的影响规律，提出了高效稳定黑化掺杂氧化钛纳米光阳极的制备方法和光解水制氢机理。研究结果表明: (1)通过Ni元素、Si元素或Ni/Si元素掺杂及金属Zn或Sn高温还原的方式可以制备高效稳定的黑化掺杂氧化钛纳米管阵列光阳极。与未掺杂TiO2相比，黑化掺杂TiO2的光吸收能力显著增强。通过Zn还原黑化可显著提升Ni元素或Si元素掺杂氧化钛纳米管光阳极的光电流密度；通过Sn还原黑化可显著提升Ni/Si共掺杂氧化钛纳米管光阳极的光电流密度；基于元素掺杂和黑化方法制备的黑化掺杂氧化钛纳米管阵列表现出优越的光电化学稳定性和光解水制氢能力。(2)Si元素掺杂不仅缩小了禁带宽度，而且拓宽了价带宽度，这在一定程度上提高了氧化钛的光电性能。Ni元素、Si元素和Ti3+/氧空位共掺杂不改变TiO2纳米管光阳极的N型半导体特性，氧空位的注入显著影响Si掺杂TiO2的电子结构。Ti3+/氧空位的注入对Ni/Si共掺杂TiO2的电子结构产生重要影响。通过本项目的实施，初步建立了新型高效稳定黑化掺杂氧化钛纳米管阵列的微结构调控制备方法和光解水制氢理论，为后期高性能掺杂氧化钛纳米管光解水制氢系统的设计和应用奠定了科学理论基础。