C,N Doped TiO2 Nanoparticles with Abundant Surface Ti3+ and Oxygen Vacancies for Visible-Light Photocatalytic Hydrogen Production

光催化 氧气 可见光谱 制氢 兴奋剂 纳米颗粒 材料科学 分解水 光化学 无机化学 化学 催化作用 纳米技术 光电子学 生物化学 有机化学
作者
Ke Wang,Nan Yang,Bin Xiao,Yuandong Shen,Baoye Zi,Zhishi Qiu,Tong Zhou,Rui Hu,Weijie Zhan,Guoyang Qiu,Changyu Duan,Feng Liu,Zhongqi Zhu,Jin Zhang,Qingju Liu
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (18): 21842-21851 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c03823
摘要

Broadening the light absorption range and enhancing the surface activity of photocatalysts represent a pressing necessity for realizing visible-light photocatalytic hydrogen production. Here, the sol–gel method and microwave hydrothermal method were used to obtain C and N codoped (C,N codoped) TiO 2 nanoparticles, which significantly improved their photocatalytic hydrogen production performance under visible light. The C,N codoping introduces impurity energy levels, which narrows the band gap and promotes visible-light absorption. More importantly, the C,N codoping also induces abundant surface O V and Ti 3+ . These defects can capture the photogenerated electrons, which promotes the separation of photogenerated carriers and enables electron transfer to the surface for the reduction of H*. Density functional theory (DFT) calculations confirm that the O V and Ti 3+ can significantly reduce the Gibbs free energy of H* adsorption and desorption on the C,N/TiO 2 nanoparticles surface, promoting the kinetics of hydrogen evolution. Impressively, the optimal C,N/TiO 2 can achieve an average hydrogen evolution rate of 610 μmol g –1 h –1 under visible light (λ = 400 nm) and an apparent quantum yield of 1.05%, while pure TiO 2 has no performance under visible light irradiation. This work will inspire the development and study of visible-light photocatalysts for photocatalytic hydrogen production.
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