氧空位缺陷与原子级共享界面协同增强Ni/NiTiO3全光谱驱动H2O2光催化产效机制研究

针对太阳能利用率低和光生载流子复合快等制约光催化H2O2生产的核心问题，研究人员通过原位还原策略构建了具有原子级共享界面的Ni/NiTiO3异质结（Ni/NTO），结合氧空位缺陷诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，实现了10608 μM/g/h的H2O2产率（较纯NTO提升55倍），为全光谱响应异质结光催化剂设计提供了新范式。

　　

在追求绿色化学的今天，过氧化氢（H₂O₂）作为环境友好型氧化剂需求激增，但传统蒽醌法存在高能耗与污染问题。光催化技术利用太阳能将H₂O和O₂直接转化为H₂O₂，堪称理想解决方案。然而，镍钛酸盐（NiTiO₃，NTO）等钙钛矿光催化剂面临光谱吸收窄、载流子复合快的瓶颈。更棘手的是，传统助催化剂（如贵金属）成本高昂，且与半导体界面晶格失配会阻碍电荷传输。如何通过材料设计突破这些限制，成为光催化领域的关键科学问题。

针对这一挑战，齐鲁工业大学（山东省科学院）的研究团队创新性地将非贵金属镍（Ni）与氧空位缺陷协同引入NiTiO₃体系，构建出具有原子级共享界面的Ni/NTO异质结。该成果发表于《Applied Surface Science》，揭示了氧空位与紧密界面协同增强全光谱光催化性能的机制。

关键技术方法
研究采用原位还原法，以NaBH₄还原NTO前驱体制备Ni/NTO异质结。通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认材料晶体结构与界面特性，电子顺磁共振（EPR）和X射线光电子能谱（XPS）表征氧空位浓度，紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）和光热成像评估光吸收与热转换性能，光电化学测试分析电荷分离效率，并在水-苯甲醇双相体系中评价H₂O₂产率。

研究结果

材料设计与表征
通过共享Ni原子构建的Ni/NTO异质结展现出原子级紧密界面，高分辨TEM显示Ni纳米颗粒与NTO纳米棒间无晶格间隙。EPR证实氧空位浓度显著提升，导致Ni²⁺/Ni³⁺氧化态变化并形成缺陷能级。

光吸收与载流子动力学
氧空位诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）效应使Ni/NTO在近红外区（>800 nm）吸收增强，光热转换效率达40%。瞬态荧光光谱显示异质结载流子寿命延长3倍，表明界面电荷转移通道有效抑制复合。

光催化性能
在模拟太阳光下，优化后的Ni/NTO产H₂O₂速率达10608 μM/g/h，是纯NTO的55倍。近红外光单独照射时仍保持4022 μM/g/h的高活性，证明全光谱利用能力。同位素标记实验证实H₂O₂同时来源于H₂O氧化和O₂还原双路径。

结论与意义
该研究通过氧空位缺陷工程与原子级界面工程的协同设计，首次实现了Ni/NTO异质结的全光谱驱动H₂O₂高效生产。其创新性体现在：1）共享Ni原子构建的紧密界面降低电荷传输势垒；2）氧空位诱导LSPR效应拓展光谱响应；3）非贵金属Ni替代传统贵金属助催化剂。这项工作为开发低成本、高效率的全光谱响应光催化剂提供了普适性策略，对太阳能转化与绿色化工发展具有重要指导价值。