One‐Step Flame Synthesis of White‐to‐Yellow‐to‐Black Titanium (Sub‐) Oxides with Tunable Oxygen Vacancies and N‐Doping: Demonstration of Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution

兴奋剂 光催化 氧气 材料科学 化学工程 白光 无机化学 光化学 催化作用 化学 冶金 光电子学 有机化学 工程类
作者
Mengzhao Chang,Tian Hou,Shengfeng Luo,Lun’ang Li,Mingchen Sun,Chen Liu,Igor Rahinov,Bo Zhou
出处
期刊:Small methods [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smtd.202500895
摘要

The synthesis of nitrogen-doped titanium (sub-)oxide (N-doped TiO2-x) nanoparticles is reported via a novel one-step flame method that enables a significant enhancement of photocatalytic properties. The NH3-fueled quasi-1D stagnation flame provides a unique high-temperature environment (up to 2000 K), enabling rapid, scalable production of tailored N-doped metal oxides through reactive nitrogen radicals. The as-synthesized nanoparticles exhibit nitrogen doping levels varying from 2.5% to 17.1%, which lead to considerable bandgap narrowing and an impressive visible light absorption range of 280-2000 nm. Characterization reveals mean particle sizes ranging from 15 to 25 nm, tunable crystal phases from anatase to rutile, and specific surface areas ranging from 60.1 to 101.9 m2 g-1. Notably, the optimized 1.0-TiO2-x demonstrates a remarkable hydrogen evolution rate of 12.5 mmol·g-¹·h-¹ under solar irradiation. This exceptional performance is attributed to the synergistic effects of suitable nitrogen doping and oxygen vacancies, along with specific structural configurations, all of which facilitate charge separation and enhance light absorption. This study highlights the potential of NH3-fueled flame synthesis for developing multifunctional photocatalysts, thereby paving the way for advancements in sustainable hydrogen production and diverse applications in photocatalysis and materials science.
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