Favorable Energy Band Alignment of TiO2 Anatase/Rutile Heterophase Homojunctions Yields Photocatalytic Hydrogen Evolution with Quantum Efficiency Exceeding 45.6%

材料科学 锐钛矿 同质结 X射线光电子能谱 光催化 金红石 表面光电压 光谱学 分解水 化学工程 光电子学 光化学 催化作用 异质结 化学 物理 工程类 量子力学 生物化学
作者
Xiaowen Ruan,Xiaoqiang Cui,Yi Cui,Xiaofeng Fan,Zhiyun Li,Tengfeng Xie,Kaikai Ba,Guangri Jia,Haiyan Zhang,Lei Zhang,Wei Zhang,Xiao Zhao,Jing Leng,Shengye Jin,David J. Singh,Weitao Zheng
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (16) 被引量:145
标识
DOI:10.1002/aenm.202200298
摘要

Developing the technology for high yielding photocatalytic hydrogen evolution reactions is an important challenge. Development and optimization of photocatalytic junctions is a likely route for achieving this if heterojunctions with suitable band alignments can be achieved in sufficiently high-density form. Here, a novel anatase-TiO2/H-rutile-TiO2 heterophase homojunction system with near optimum energy band alignment is reported. The resulting as-prepared catalyst exhibits an excellent photocatalytic hydrogen evolution rate of 29.63 mmol g–1 h–1 under UV–vis light irradiation and an outstanding apparent quantum efficiency of 45.6% at 365 nm. The significant improvement is ascribed to near perfect lattice matching in combination with the rapid separation and transfer of photogenerated carriers in anatase-TiO2/H-rutile-TiO2 heterophase homojunctions. In situ X-ray photoelectron spectroscopy, electron spin resonance spin-trapping tests, femtosecond transient absorption spectroscopy, steady-state surface photovoltage spectroscopy, and transient-state surface photovoltage with additional ex situ characterizations and theoretical calculations show that the mechanism is enhanced transfer of photogenerated carriers in the anatase-TiO2/H-rutile-TiO2 catalyst. This work provides a pathway for enhancing photocatalytic performance through optimization of heterojunctions.
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