通过射频等离子体技术改性的TiO?纳米管，用于提升太阳能驱动的水分解效率

《International Journal of Hydrogen Energy》：RF plasma-engineered TiO 2 nanotubes for enhanced solar-driven water splitting

通过共沉淀法成功制备了Ta和Cd共掺杂的Nb2O5纳米球结构，优化掺杂浓度（Ta0.04Cd0.03Nb1.93O5）使MB降解率达98.5%，氢气产率达16.3 mmol/g·h，带隙降低至2.12 eV，电子-空穴复合减少，理论与实验结果一致，适用于大规模水处理和氢生产。

　　在当前全球对可持续发展的关注日益增强的背景下，如何有效治理工业废水并开发清洁可再生能源成为科研与工程领域的重要课题。在这一领域，光催化技术因其在分解有害有机污染物和促进水分解产生氢气方面的潜力，逐渐成为研究热点。Nb?O?作为一种常见的n型半导体材料，因其优异的热稳定性、化学稳定性以及非毒性特性，被广泛应用于光催化反应中。然而，其固有的宽带隙（2.9–4.0 eV）限制了其在可见光范围内的光响应能力，同时其载流子（电子与空穴）的快速复合也影响了光催化效率。因此，研究如何通过掺杂手段优化Nb?O?的光催化性能，成为提升其在环境治理和能源生产中应用价值的关键。

本研究采用了一种简单且高效的共沉淀法，成功合成了纯Nb?O?以及一系列Ta和Cd共掺杂的纳米颗粒。通过系统分析这些材料的结构、光学和光催化性能，研究团队旨在探索Ta和Cd的最佳掺杂比例，以进一步提升Nb?O?的光催化活性。所有制备的样品均呈现出多孔且网状的球形结构，这种独特的形貌不仅增加了材料的比表面积，还为光催化反应提供了更多的活性位点。更重要的是，Ta和Cd的共掺杂显著降低了电子与空穴对的复合速率，并有效减小了带隙宽度，使其在可见光区域内的光响应能力得到了增强。

在光催化反应中，电子与空穴对的快速复合是限制材料性能的主要因素之一。当电子被激发进入导带后，空穴留在价带，两者具有强烈的还原和氧化能力，能够参与污染物的降解反应。然而，如果电子与空穴在短时间内复合，将大大降低光催化效率。因此，通过掺杂策略来调控载流子的寿命和分离效率，成为提高光催化性能的重要手段。在本研究中，Ta和Cd作为共掺杂元素，表现出良好的协同效应。它们的引入不仅改变了Nb?O?的晶体结构，还优化了其电子传输特性，从而显著提高了光催化反应的效率。

通过实验分析，研究团队发现Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品在降解甲基橙（MB）水溶液方面表现出最佳性能。在56分钟的光照条件下，该样品能够实现高达98.5%的降解率，显示出极高的光催化活性。此外，在连续六次循环测试中，该样品保持了92%的稳定性，说明其结构和性能在多次使用后仍能维持较高水平。这表明，Ta和Cd的共掺杂不仅提高了材料的光响应能力，还增强了其在实际应用中的耐久性。

在氢气生成方面，该优化样品同样表现出优异的性能。实验数据显示，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品在光照条件下能够实现高达16.3 mmol/g/h的氢气产率，远高于其他系列样品。这一结果表明，该样品不仅在降解有机污染物方面表现出色，还具有显著的水分解能力，为光催化材料在废水处理和氢气生产领域的应用提供了新的思路。氢气作为一种清洁能源，其高效制备对于实现碳中和目标具有重要意义。因此，开发具有高光催化活性和稳定性的材料，对于推动绿色能源技术的发展至关重要。

在材料的光学性能方面，研究团队通过一系列表征手段，包括X射线衍射（XRD）、比表面积测定（BET）以及紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等，系统分析了不同掺杂比例对材料性能的影响。XRD分析结果表明，随着Ta和Cd掺杂比例的增加，材料的晶格结构发生了细微变化，且Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品表现出最佳的结晶度。这说明适当的掺杂不仅能够优化材料的微观结构，还能提升其光催化活性。BET分析进一步证实了这一结论，显示Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品具有最大的比表面积，为光催化反应提供了更多的反应界面。此外，UV-Vis DRS分析结果表明，该样品的带隙宽度降低至2.12 eV，使其能够在可见光范围内更有效地吸收光子，从而激发更多的电子-空穴对，提高光催化效率。

在实验过程中，研究团队还通过光电流测试和电化学阻抗谱（EIS）分析，进一步验证了Ta和Cd共掺杂对材料光催化性能的影响。光电流测试结果表明，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品在光照下能够产生较高的光电流密度，说明其具有良好的载流子分离和传输能力。而EIS分析则揭示了该样品在电荷传输过程中的低电阻特性，表明其内部的电荷迁移效率较高。这些结果共同支持了Ta和Cd共掺杂能够有效降低载流子复合速率并提高光催化效率的结论。

此外，研究团队还通过理论计算模拟了Ta和Cd共掺杂对Nb?O?电子结构的影响。计算结果表明，Ta和Cd的引入能够有效调节Nb?O?的能带结构，降低其带隙宽度，并优化其电子-空穴对的分离机制。这种理论与实验的结合，不仅加深了对材料性能的理解，还为后续材料设计提供了可靠的依据。通过计算模拟，研究团队进一步验证了实验数据的可靠性，并明确了Ta和Cd共掺杂在提升光催化性能中的关键作用。

在实际应用中，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品展现出双重功能，既可以高效降解水中的有机污染物，又能够促进水分解产生氢气。这种多功能性使其在环境治理和能源生产领域具有广泛的应用前景。特别是在工业废水处理方面，甲基橙等有机染料的污染问题日益严重，而传统的处理方法往往成本高昂且效率有限。因此，开发一种高效、低成本且稳定的光催化材料，对于解决这一问题具有重要意义。Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品的优异性能，使其成为一种极具潜力的环境友好型催化剂。

与此同时，氢气的生产也是当前能源研究的重要方向。随着全球对可再生能源的需求不断增长，开发高效且可持续的制氢方法成为迫切任务。光催化水分解制氢技术因其无需外部电源、环境友好等优势，受到广泛关注。然而，受限于材料的光响应能力和载流子复合速率，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战。本研究中，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品的高氢气产率，表明其在水分解制氢方面具有显著优势。这一成果不仅有助于推动光催化制氢技术的发展，也为未来大规模氢气生产提供了新的材料选择。

本研究的成果还具有重要的实际意义。在工业生产过程中，大量有机废水的排放对环境造成了严重威胁。而Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品的高光催化活性和稳定性，使其能够有效地处理这些废水，同时实现能源的回收利用。这种“双功能”材料的开发，不仅有助于提高废水处理的效率，还能在处理过程中产生有价值的氢气，实现资源的循环利用。这种绿色、可持续的处理方式，符合当前社会对环保和节能的双重需求。

从材料科学的角度来看，本研究通过共沉淀法成功制备了Ta和Cd共掺杂的Nb?O?纳米结构，并系统分析了其性能。这一方法不仅操作简便，而且能够有效控制掺杂比例，从而实现材料性能的优化。此外，研究团队还发现，适当的掺杂比例能够显著提升材料的比表面积和结晶度，进一步增强其光催化活性。这些发现为后续的材料合成和优化提供了理论支持和实验依据。

本研究的成果也揭示了Ta和Cd作为共掺杂元素在提升Nb?O?光催化性能方面的独特优势。它们的电负性和离子半径与Nb相近，能够很好地融入材料的晶格结构中，而不引起明显的晶格畸变。这种特性使得Ta和Cd能够有效地调节材料的电子结构，降低其带隙宽度，并优化载流子的分离和传输过程。因此，Ta和Cd的共掺杂不仅提高了材料的光响应能力，还增强了其在实际应用中的稳定性。

在环境治理和能源生产领域，光催化技术的应用前景广阔。然而，如何提高光催化材料的性能，使其在可见光范围内具有更高的活性，仍然是当前研究的重点。本研究通过引入Ta和Cd共掺杂，成功解决了这一问题。Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品的高降解率和高氢气产率，表明其在光催化反应中具有显著优势。这种材料的开发，不仅为废水处理提供了新的解决方案，也为氢气的高效生产开辟了新的途径。

综上所述，本研究通过系统分析和实验验证，揭示了Ta和Cd共掺杂对Nb?O?纳米结构性能的优化作用。Ta?.04Cd?.03Nb?.93O?样品在降解有机污染物和水分解制氢方面表现出色，显示出其在环境治理和能源生产中的巨大潜力。这一成果不仅为光催化材料的设计和优化提供了新的思路，也为未来大规模应用奠定了基础。随着研究的深入，相信Ta和Cd共掺杂的Nb?O?材料将在更多领域展现出其独特的价值和应用前景。