碳纳米管复合钙铜钛酸盐(CCTO/CNT)增强光催化海水制氢性能研究

【编辑推荐】针对传统光催化剂可见光响应弱、载流子复合率高的问题，印度理工学院团队通过超声溶胶-凝胶法制备了钙铜钛酸盐/碳纳米管(CCTO/CNT)复合光催化剂。该材料在模拟太阳光下实现海水制氢速率0.568 mmol/g/h，表观量子效率达5.40%，其独特的电子转移机制有效抑制了电子-空穴复合，为清洁能源开发提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，开发清洁可再生的氢能源成为当务之急。传统化石燃料制氢伴随严重碳排放，而光电催化分解水被视为最具潜力的绿色制氢途径。然而，当前主流光催化剂如TiO₂、ZnO等仅能利用占太阳光4%的紫外波段，且普遍存在电子-空穴复合率高的问题。钙铜钛酸盐(CaCu₃Ti₄O₁₂, CCTO)因其独特的Jahn-Teller畸变结构和可见光响应特性崭露头角，但载流子快速复合制约其实际应用。

印度理工学院的研究团队创新性地将CCTO与碳纳米管(CNT)复合，通过两步骤超声溶胶-凝胶法制备了系列CCTO/CNT光催化剂。该研究发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上，首次系统探究了该复合材料在海水制氢中的性能。实验表明，0.3 M CNT掺杂的复合材料在4小时光照下，淡水和海水制氢速率分别达0.584和0.568 mmol/g/h，表观量子效率(AQY)稳定在5.5%左右。密度泛函理论(DFT)计算揭示了CNT向CCTO的电子转移机制，光电化学测试证实其光电流密度提升3倍，电荷转移电阻降低67%，为设计高效海水制氢催化剂提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 超声辅助溶胶-凝胶法制备CCTO/CNT复合材料；2) X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征晶体结构与形貌；3) 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收特性；4) 电化学阻抗谱(EIS)和莫特-肖特基(Mott-Schottky)分析载流子行为；5) 自制气密反应系统在线监测氢气产量；6) CRYSTAL23软件进行DFT理论计算。

Phase and morphology studies
XRD证实复合材料保持CCTO立方相结构(空间群Im-3)，CNT的引入使(112)晶面衍射峰宽化，TEM显示CNT均匀包裹CCTO纳米颗粒形成异质结。

Photocatalytic hydrogen evolution
在AM1.5G模拟太阳光下，CCTO/CNT 0.3M表现出最优性能，海水制氢效率比纯CCTO提高3.8倍，且连续5次循环后活性仅衰减4.2%，证明其耐盐腐蚀特性。

Electrochemical properties
线性扫描伏安(LSV)显示复合材料起始电位负移0.23V，瞬态光电流测试表明0.3M CNT样品光电流密度达1.24 mA/cm²，是纯CCTO的3.1倍。

Computational results
DFT计算显示CNT的引入使CCTO导带位置下移0.37eV，形成Type-II型异质结，促进光生电子从CNT(功函数4.8eV)向CCTO(4.3eV)迁移。

该研究通过实验与理论计算的有机结合，证实CCTO/CNT复合材料通过三重增效机制实现性能突破：(1) CNT拓宽可见光吸收范围至650nm；(2) 异质结界面加速电荷分离；(3) Cu²⁺的3d⁹电子构型抑制空穴复合。特别值得注意的是，该材料在真实海水环境中保持稳定活性，克服了传统催化剂易受氯离子毒化的难题。这项工作不仅为开发低成本海水制氢催化剂提供了新思路，其"宽光谱吸收-快速电荷转移-耐腐蚀"三位一体的设计策略，对新型能源材料的开发具有普适性指导意义。