SrTiO3/Bi4Ti3O12 Nanoheterostructural Platelets Synthesized by Topotactic Epitaxy as Effective Noble-Metal-Free Photocatalysts for pH-Neutral Hydrogen Evolution

材料科学 贵金属 外延 氢 无机化学 催化作用 金属 化学工程 纳米技术 冶金 化学 图层(电子) 生物化学 有机化学 工程类
作者
Marjeta Maček Kržmanc,Nina Daneu,Alja Čontala,Saswati Santra,Kamal Khaja Mohaideen,Blaž Likozar,Matjaž Spreitzer
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 370-381 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acsami.0c16253
摘要

Abstract Low-temperature hydrothermal epitaxial growth and topochemical conversion (TC) reactions offer unexploited possibilities for the morphological engineering of heterostructural and non-equilibrium shape (photo)catalyst particles. The hydrothermal epitaxial growth of SrTiO3 on Bi4Ti3O12 platelets is studied as a new route for the formation of novel nanoheterostructural SrTiO3/Bi4Ti3O12 platelets at an intermediate stage or (100)-oriented mesocrystalline SrTiO3 nanoplatelets at the completed stage of the TC reaction. The Bi4Ti3O12 platelets act as a source of Ti(OH)62– species and, at the same time, as a substrate for the epitaxial growth of SrTiO3. The dissolution of the Bi4Ti3O12 platelets proceeds faster from the lateral direction, whereas the epitaxial growth of SrTiO3 occurs on both bismuth-oxide-terminated basal surface planes of the Bi4Ti3O12 platelets. In the progress of the TC reaction, the Bi4Ti3O12 platelet is replaced from the lateral ends toward the interior by SrTiO3, while Bi4Ti3O12 is preserved in the core of the heterostructural platelet. Without any support from noble-metal doping or cocatalysts, the SrTiO3/Bi4Ti3O12 platelets show stable and 15 times higher photocatalytic H2 production (1265 μmol·g–1·h–1; solar-to-hydrogen (STH) efficiency = 0.19%) than commercial SrTiO3 nanopowders (81 μmol·g–1·h–1; STH = 0.012%) in pH-neutral water/methanol solutions. A plausible Z scheme is proposed to describe the charge-transfer mechanism during the photocatalysis.
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