中科院金属所JACS：Sc掺杂TiO2光催化全解水表观量子效率达到30 %

纳米技术

2025-04-11

在环境条件下，利用二氧化钛（TiO₂）等储量丰富的材料实现高效光催化全解水是一种极具吸引力的可再生能源解决方案。然而，由于颗粒光催化剂中存在大量的深能级缺陷，且缺乏强大的驱动力，光生电荷的分离受到限制，这一目标的实现仍颇具挑战。

有鉴于此，中国科学院金属研究所刘岗研究员等研发出一种Sc掺杂金红石TiO₂，其中不利的Ti³⁺缺陷得到完全的钝化，并且由（101）/（110）晶面产生非常强的内建电场。

本文要点：

（1）

Sc³⁺掺杂使激子结合能仅为8.2 meV（未掺杂时的激子结合能达到28.6 meV），比室温的热涨落能量还低，这表明激子能自发解离。这些特性使得光生电子和空穴能够分别选择性地转移到（110）和（101）晶面。

（2）

最终，这种添加了助催化剂的Sc掺杂TiO₂在波长为360 nm的光催化全解水的表观量子产率达到30.3%，太阳能-氢能的转换效率0.34 %，这是环境条件下TiO₂光催化剂有报道的最高结果。

参考文献

Fei Qin, Yuyang Kang, Xingyuan San, Yun-Long Tang, Jianjun Li, Xin Zhang, Kangyu Zhang, and Gang Liu*, Spontaneous Exciton Dissociation in Sc-Doped Rutile TiO₂ for Photocatalytic Overall Water Splitting with an Apparent Quantum Yield of 30%, J. Am. Chem. Soc. 2025

DOI: 10.1021/jacs.5c01936

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01936