我所構筑PBA-TiO2 Janus微/納米結構催化劑實現雙功能光催化水氧化/還原

  近日,我所納米反應器與反應工程學創新特區研究組(05T7組)劉健研究員團隊與華東師范大學胡鳴教授團隊合作,提出了一種新穎、簡單的策略,合成具有非對稱性結構的PBA-TiO2 兩面神(Janus)微/納米結構催化劑,實現雙功能光催化水氧化/還原。

  Janus粒子是由物理和化學性質不同(通常性質相反)的兩個或多個組分構成的具有精細結構的粒子。Janus粒子的不同組分具有不同的表面親/疏水性、磁性、光學特性、電學特性等,具有多功能、易修飾等優點;同時不同部分的特性有助于改善整體的化學和物理特性,以滿足特定的應用需求。因此,近年來Janus粒子在催化、能量存儲與轉化、生物醫學等領域顯示出了廣闊的應用潛力。然而,開發一種有效的策略來實現具有穩定界面結的Janus結構納米反應器仍然是一個挑戰。

  該合作團隊提出了一種新穎的Janus納米反應器合成策略:通過局部性刻蝕普魯士藍類似物(PBA),從而使暴露的未配位的金屬節點與Ti和O離子結合,在單晶立方體PBA表面緩慢成核不對稱生長無定形的TiO2,從而形成非對稱性雙組分PBA-TiO2 Janus微/納米結構催化劑。實驗證明,納米片組裝成的花狀TiO2具有大比表面積,為還原反應提供了豐富的活性位點。此外,PBA-TiO2引起的光散射和反射效應增強對太陽輻射的吸收和利用。熒光光譜結果表明,Janus結構促進載流子的快速傳輸,并有效地抑制內部光電子和空穴的復合。得益于非對稱性雙組分結構帶來的電荷分離效率提升,PBA-TiO2 Janus納米反應器的光催化性能得到了顯著提高。PBA-TiO2 Janus納米反應器光催化水氧化/還原反應的活性顯著高于單純的TiO2和PBA催化劑。上述刻蝕-再生長控制策略,突破傳統方法在Janus微/納米結構材料合成上的限制,為構筑金屬配合物-半導體雜化Janus結構微/納米結構催化劑的精準合成提供了新的思路。

  上述工作于近日發表在《尖端科學》(Advanced Science) 上。該工作得到國家自然科學基金,中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。(文/圖 石春景)  

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