基于非贵金属双助催化剂修饰的Ga掺杂SrTiO3光催化剂高效全解水研究

推荐 为解决传统SrTiO3基光催化剂依赖贵金属助催化剂（如Pt、Rh）导致成本高昂的问题，研究人员以Ga掺杂SrTiO3（Ga-STO）为基底，引入CuCrOx/Co3O4双非贵金属助催化剂体系。研究表明，该材料在模拟太阳光下实现氢气与氧气产率分别达204.56 μmol·h-1和102.28 μmol·h-1，显著提升光催化全解水效率，为低成本制氢技术提供新思路。

　　

论文解读
光催化全解水（Photocatalytic Overall Water Splitting, OWS）作为将太阳能转化为清洁氢能的重要途径，近年来备受关注。然而，传统SrTiO₃基光催化剂在实际应用中面临两大瓶颈：其一，其固有的电子-空穴复合率高，导致能量转换效率低下；其二，依赖贵金属（如Pt、Rh）作为助催化剂以促进电荷分离和表面反应，极大增加了成本。为突破这些限制，江西理工大学的研究团队提出了一种基于非贵金属双助催化剂的改性策略，成功提升了Ga掺杂SrTiO₃（Ga-STO）的光催化性能。

该团队通过溶胶-凝胶法合成Ga-STO基底，并分别采用浸渍法和光沉积法负载CuCrO_x和Co₃O₄双助催化剂。X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）表征显示，CuCrO_x在反应过程中生成还原态Cu⁰/Cu⁺活性位点，有效促进氢气演化反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER），而Cr₂O₃的存在则稳定了这些活性位点。Co₃O₄则被证实对氧气演化反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）具有显著催化作用。在模拟太阳光照射下，最优样品CuCrO_x/Co₃O₄/Ga-STO的氢气产率达204.56 μmol·h^-1，氧气产率为102.28 μmol·h^-1，较纯Ga-STO提升近两个数量级。

研究结果表明，双助催化剂的协同效应显著提升了光生载流子的分离效率。CuCrO_x通过降低氢气析出过电位加速电子转移，而Co₃O₄则通过增强氧空位浓度优化空穴迁移路径。此外，Ga离子掺杂有效减少了Ti³⁺缺陷并引入氧空位，进一步改善了电荷传输动力学。这一发现不仅降低了光催化剂对贵金属的依赖，还为设计高效、稳定的全解水体系提供了理论依据。研究成果发表于《Applied Catalysis A: General》，标志着非贵金属助催化剂在光催化领域的重大突破。

关键技术方法
本研究采用溶胶-凝胶法合成Ga-STO基底，并通过浸渍法负载CuCrO_x、光沉积法负载Co₃O₄。表征技术包括XPS分析活性位点化学态、TEM观察形貌与界面结构，光催化性能测试则在模拟太阳光条件下进行产氢与产氧速率测定。

研究结论与意义
本研究成功开发了一种基于非贵金属双助催化剂的Ga-STO光催化剂，其氢气与氧气产率均达到实用化需求。CuCrO_x/Co₃O₄的协同作用显著提升了载流子分离效率，为低成本、高效光解水制氢提供了新方案。该策略突破了传统贵金属依赖的限制，具有广阔的应用前景。