负载在TiO2纳米片上的石墨碳限域过渡金属纳米粒子共催化剂，用于提升氢气释放的光催化活性

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Graphite Carbon-Confined Transition Metal Nanoparticle Cocatalysts on TiO2 Nanosheets for Enhancing Photocatalytic Activity of Hydrogen Evolution

过渡金属@石墨碳/TiO?异质纳米复合材料的构建及其光解水制氢机制研究。通过石墨碳包覆的Ni、Co、Cu、Fe纳米颗粒与TiO?纳米片构建0D/2D异质结构，Ni@C/TiO?表现出接近Pt/TiO?的产氢活性，较原始TiO?提升47倍。机理研究表明异原子通道（Ti–O–C–Ni）显著促进电荷分离，且异质界面浅陷阱电子是活性来源，石墨碳层兼具抗腐蚀与电子转移介导功能。

　　

开发具有高活性和耐久性的非贵金属共催化剂仍然是光催化制氢领域的一个关键挑战。在此，我们制备了一系列0D/2D金属@石墨碳/TiO₂（M@C/TiO₂）纳米复合光催化剂，这些催化剂由被石墨碳限定的过渡金属纳米颗粒（M@C，M = Ni、Co、Cu和Fe）和TiO₂纳米片组成。Ni@C/TiO₂表现出卓越的光催化制氢活性，其活性可与Pt/TiO₂相媲美，并且显著优于原始TiO₂、Ni/TiO₂和C/TiO₂，分别高出47倍、28倍和6倍。这种优异的光催化活性不仅归因于石墨碳限定的过渡金属纳米颗粒对光的吸收增强、电子性质的改变以及电荷载流子分离能力的提升，还得益于金属核心与TiO₂支撑层之间Ti–O–C–Ni异质原子通道中电荷载流子的有效传输。实验结果证实了0D/2D异质界面的形成，该界面具有理想的能带结构，保持了晶体完整性，并在Ni活性位点处增强了电子密度。研究还发现，石墨碳壳层不仅保护了金属纳米颗粒免受氧化腐蚀，还通过界面电子转移促进了电荷分离。重要的是，机制研究表明，对光催化制氢活性起作用的是那些滞留在M@C和TiO₂异质界面处的浅层电子，而非深陷在金属纳米颗粒中的电子。这项工作提出了一种通过界面工程和保护性碳壳层封装来设计稳定、低成本过渡金属基共催化剂的通用方法，为可持续的太阳能制氢转化系统提供了重要见解。