优化TiO2性能：双策略方法增强太阳能水分解效率

来自 实验室仪器网

中国科学院的研究人员开发出了一种掺杂钪（Sc）的金红石晶相二氧化钛（TiO2）半导体。

催化水分解是一种清洁能源技术，利用阳光和光催化剂将水分解成氧气和氢气，无需依赖化石燃料即可生产出环保的绿色氢气。

二氧化钛（TiO2）作为该工艺中极具前景的半导体材料已被广泛研究。然而，其效率受到快速电荷复合和电荷分离不足的限制。中国科学院金属研究所刘刚教授领导的研究团队在光催化水分解方面取得重大进展。

这种新材料的表观量子产率（AQY）达到了30.3%，该效率衡量了光子转化为可用水分解的效率，而太阳能转化为氢能（STH）的效率则达到了0.34%，该效率衡量了太阳能转化为氢能的百分比。这两个数值均创下了常温、常压和常热条件下基于TiO2的光催化全水分解的新纪录。

为了解决TiO2的局限性，研究人员采用了双管齐下的方法。首先，掺杂Sc3+有效地消除了有害的Ti3+缺陷，这些缺陷已知会捕获电荷并导致能量损失。其次，他们在(101)和(110)晶面之间设计了一个面结。这产生了一个内部电场，驱动电子和空穴分离面，从而促进水的还原和氧化反应。

刘教授说：“这种双重方法不仅最大限度地减少了缺陷引起的电荷复合，而且还模拟了光伏电池中pn结的有效电荷分离机制。”

该研究凸显了钪掺杂二氧化钛的巨大商业潜力，尤其是考虑到中国丰富的钛和钪储量。凭借现有的二氧化钛产业链和先进的稀土加工能力，这项创新有望实现可扩展且经济实惠的制氢工艺。

刘教授表示：“我们的设计策略——抑制缺陷和利用晶体各向异性——与中国的资源优势和工业基础设施完美契合。”

研究团队的下一个目标是增强材料的光吸收能力，并将其集成到可扩大实际应用的太阳能系统中。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省科技重大专项和中科院青年基础研究发展计划项目的资助。

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