通过添加钴（Co）和镍（Ni）来优化TiO?光催化剂，以提高光电催化制氢的效果

《Next Materials》：Optimizing TiO 2 photocatalysts with Co and Ni loading for improved photoelectrocatalytic hydrogen production

光催化制氢中，Co-Ni共负载TiO?催化剂通过溶胶-凝胶法合成，XRD、FESEM-EDX等表征证实Co和Ni以氧化物形式均匀分散于TiO?表面，形成动态表面氧化还原平衡。Ni作为电子受体促进HER，Co作为空穴捕获剂促进OER，协同抑制电荷复合，提升可见光吸收（带隙缩小至2.75 eV），使产氢率达448 μmol h?1 g?1，优于单一金属及纯TiO?。循环测试显示其稳定性优异，适用于可持续制氢系统。

　　### 光催化剂的协同效应：Co与Ni共载TiO?提升光催化产氢效率

在当前全球能源需求日益增长的背景下，寻找一种清洁、可持续的能源来源成为科学研究的重要方向之一。太阳能作为一种丰富的可再生能源，其高效利用是实现绿色能源体系的关键。光催化水分解技术利用太阳光将水分解为氢气和氧气，为氢能源的生产提供了重要途径。然而，传统光催化剂如二氧化钛（TiO?）由于其较大的禁带宽度（约3.2 eV）和快速的光生载流子复合现象，限制了其在可见光区域的吸收能力以及氢气生成效率。因此，如何优化TiO?的性能，使其在可见光条件下实现高效的光催化产氢，成为当前研究的热点。

在这一研究中，科学家们探索了在TiO?光催化剂中同时引入钴（Co）和镍（Ni）作为共载催化剂的协同效应。这种双金属共载策略不仅提升了TiO?的光催化性能，还为可持续氢能源的开发提供了新的思路。通过溶胶-凝胶法合成Co-Ni/TiO?催化剂，并采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、氮气吸附-脱附（BET）、紫外-可见漫反射光谱（DR-UV-Vis）、光致发光（PL）以及X射线光电子能谱（XPS）等多种手段，对催化剂的结构、光学、电子特性进行了系统分析。

#### 材料合成与结构表征

研究中使用的TiO?光催化剂通过溶胶-凝胶法合成，其过程包括将钛异丙醇（TTIP）与正庚烷混合，在搅拌条件下形成溶胶，随后通过水热法和煅烧处理制备成纳米颗粒。合成过程中，TiO?的结构和形貌得到了充分的调控，以确保其在光催化反应中的高效性能。Co和Ni的共载方式通过湿法浸渍实现，确保两种金属均匀分布在TiO?表面，避免形成密集的金属团聚体。这种均匀分布对于光生载流子的分离和迁移至关重要。

FESEM图像显示，Co/TiO?和Ni/TiO?材料由聚集的纳米颗粒组成，但Co-Ni/TiO?表现出更复杂的表面结构。这表明Co和Ni的共载不仅改变了材料的表面形貌，还引入了新的表面活性位点，有助于光催化反应的进行。EDX分析进一步验证了Co和Ni在TiO?表面的均匀分布，其重量百分比分别为4.9%和3.4%，与预期的掺杂比例高度一致。此外，EDX结果还揭示了微量碳的存在，这可能来源于有机前驱体或表面污染物。

XRD分析显示，所有样品中均以锐钛矿相为主，这表明Co和Ni的引入并未改变TiO?的基本晶相结构，但可能在一定程度上影响了其结晶度和晶格结构。Co-Ni/TiO?的XRD图谱中，峰宽和位置的变化暗示了晶格畸变和结构优化，这可能有助于光生载流子的分离和迁移。相比之下，单一金属掺杂的样品（如Co/TiO?和Ni/TiO?）对TiO?结构的影响较小，说明双金属共载策略在结构调控方面具有独特优势。

#### 光学与电子特性分析

为了进一步理解Co-Ni/TiO?的光学性能，研究者通过DR-UV-Vis光谱对其可见光吸收能力进行了分析。结果表明，Co-Ni/TiO?的光吸收范围显著拓宽，相较于纯TiO?，其吸收能力增强，这有助于在更宽的波长范围内利用太阳能。光谱分析还表明，Co和Ni的共载不仅改变了TiO?的能带结构，还引入了新的电子态，从而促进了光生载流子的分离和迁移。

光致发光（PL）光谱进一步揭示了光生载流子的复合情况。纯TiO?的PL强度较高，表明其光生载流子的复合率较高，限制了光催化效率。相比之下，Co-Ni/TiO?的PL强度显著降低，这表明其具有更优异的光生载流子分离能力。这种降低的PL强度与Co和Ni的协同作用密切相关，它们分别作为电子捕获位点和空穴捕获位点，有效抑制了电子-空穴的复合。Ni/TiO?和Co/TiO?的PL强度也有所下降，但不如Co-Ni/TiO?显著，说明双金属共载策略在减少载流子复合方面具有更大的优势。

XPS分析则提供了催化剂表面化学状态的详细信息。结果表明，Co和Ni主要以氧化物形式存在于TiO?表面，且存在Co2?/Co3?和Ni2?/Ni3?的混合价态。这种价态的变化表明，Co和Ni在TiO?表面形成了动态的氧化还原平衡，有助于电子的转移和反应中间体的稳定。同时，XPS还揭示了Ti的氧化态变化，表明Co和Ni的引入可能影响了TiO?的电子结构，从而增强了其催化活性。

#### 光催化性能测试与优化

通过光电化学测试（PEC），研究者评估了Co-Ni/TiO?与其他材料的光催化性能。结果表明，Co-Ni/TiO?在光催化产氢方面表现出显著优势，其产氢速率高达448 μmol h?1 g?1，远高于单一金属掺杂的样品和未掺杂的TiO?。这种提升主要归因于Co和Ni在TiO?表面形成的协同作用，它们分别促进了氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER），从而实现了更高效的光催化产氢。

在优化过程中，研究者对煅烧温度、煅烧时间、金属负载量以及Co:Ni比例进行了系统研究。结果表明，Co/TiO?在400°C煅烧时表现出最佳性能，而Ni/TiO?在500°C煅烧时达到最高产氢效率。进一步分析发现，Co和Ni的最佳负载量分别为3.5%和5.0%，且Co:Ni比例为2:1时产氢效率最高。这说明，Co和Ni的协同作用在特定比例下能够最大化其对光生载流子的捕获能力，从而提升整体催化性能。

#### 持久性与再利用性

为了评估Co-Ni/TiO?的稳定性，研究者进行了三次循环测试。结果显示，Co-Ni/TiO?在三次循环中仍能保持较高的产氢效率，仅略有下降（从448 μmol h?1 g?1降至403.2 μmol h?1 g?1）。这种微小的性能损失主要归因于表面污染或活性位点的轻微流失，但总体而言，该催化剂表现出良好的稳定性和可重复使用性。相比之下，单一金属掺杂的样品在循环测试中表现出更明显的性能下降，说明双金属共载策略在提升催化剂寿命方面具有显著优势。

#### 潜在应用与研究意义

Co-Ni/TiO?的优异性能使其成为一种极具潜力的光催化剂，尤其适用于太阳能驱动的氢气生产。这种双金属共载策略不仅提升了TiO?的可见光吸收能力，还通过促进电子-空穴的分离，显著提高了光催化效率。此外，该催化剂的结构和表面特性优化，使其在长期使用中仍能保持稳定，这为大规模应用提供了基础支持。

从更广泛的角度来看，该研究为开发高效、稳定的光催化剂提供了新的思路。通过合理设计金属掺杂比例和负载方式，可以进一步优化催化剂的性能，使其在不同环境条件下均能表现出优异的催化活性。此外，该研究还揭示了Co和Ni在光催化体系中的协同作用机制，为后续的催化剂设计和优化提供了理论依据。

综上所述，Co-Ni/TiO?光催化剂的开发为太阳能驱动的氢气生产提供了新的解决方案。通过引入两种金属的协同作用，不仅提升了催化剂的光吸收能力，还有效抑制了光生载流子的复合，从而实现了更高的光催化效率。同时，该催化剂在多次循环测试中表现出良好的稳定性，表明其具有实际应用的潜力。未来的研究可以进一步探索不同金属比例对催化剂性能的影响，以及如何通过表面修饰和结构调控进一步提升其性能，从而推动光催化技术在绿色能源领域的广泛应用。