液体辅助共振声混合法制备铜-钛氧化物光催化剂用于绿色制氢的研究

本研究针对传统催化材料合成方法溶剂用量大、环境污染严重的问题，创新性地采用液体辅助共振声混合(RAM)技术制备CuOx-TiO2异质结光催化剂。通过优化RAM加速度(15-45g)和水固比(η=0-0.4 μL mg-1)，成功获得均匀分散的催化剂，其光催化产氢速率达1.81 mmol g-1h-1(AQY=1.40%)，较纯TiO2提升7倍。该绿色合成路线显著减少溶剂用量，为环境友好型催化材料制备提供了新思路。

　　

在追求可持续发展的化学工业进程中，传统催化材料合成方法面临严峻的环境挑战。常规湿化学法需要大量溶剂和助剂，不仅造成资源浪费，更会产生具有潜在环境风险的化学废物。以光催化制氢领域广泛使用的TiO₂为例，其表面修饰通常依赖浸渍法、溶剂热合成等传统工艺，这些方法不仅操作复杂，还需添加PVP、SDS等稳定剂。如何在保证催化性能的同时实现绿色合成，成为当前催化材料研究的重要课题。

针对这一挑战，研究人员创新性地将共振声混合技术(RAM)应用于CuO_x-TiO₂光催化剂的制备。RAM技术通过容器的高频振动产生微混合区，具有混合均匀、能耗低、可放大等优势，此前多用于药物和MOFs制备，在催化材料合成领域应用有限。研究团队系统考察了RAM加速度(15g、30g、45g)和水固比(η=0-0.4 μL mg^-1)对材料性能的影响，发现30g加速度配合η=0.3 μL mg^-1水含量可形成最均匀的III型混合物。通过添加抗坏血酸(AA)作为还原剂和封端剂，成功构建了含有Cu⁺/Cu²⁺混合价态的CuO_x-TiO₂异质结。

研究采用XRD、UV-DRS、PL、XPS等多种表征技术。XRD证实材料保持TiO₂的锐钛矿和金红石晶型；UV-DRS显示改性样品在可见光区吸收增强；PL光谱表明Cu中心能有效捕获电子，延缓载流子复合；XPS证实AA的加入促使Cu²⁺部分还原为Cu⁺，形成混合价态结构。TEM-EDS mapping显示Cu物种在TiO₂表面均匀分散，HR-TEM观察到CuO晶格条纹。

研究结果部分，在"合成与光催化性能"方面，发现30Cu2.5P25-3样品表现出最佳催化活性(1.81 mmol H₂ g^-1h^-1)，较纯TiO₂提升7倍。AA的加入使活性提高22%，因其能还原Cu²⁺并改善分散性。Cu负载量增至5wt%时，由于表面过度覆盖导致活性下降。"形貌与结构表征"部分显示，RAM处理后颗粒形成2-20μm团聚体，但经煅烧后恢复原始分散状态，TEM证实Cu物种以纳米颗粒形式均匀分布在TiO₂表面。"光学与电子特性"部分指出，改性样品带隙从3.29eV降至2.84eV，Cu²⁺的d-d跃迁产生800nm吸收带，混合价态结构促进电荷分离。

该研究成功开发了一种环境友好的CuO_x-TiO₂光催化剂合成路线，仅需微量水(0.3μL/mg)和简单两步工艺(混合+煅烧)，即获得性能优异的制氢催化剂。材料经5次循环后活性仅下降10%，表现出良好稳定性。研究不仅为绿色合成光催化剂提供了新思路，更展示了RAM技术在催化材料制备领域的应用潜力。这种低溶剂、低能耗的合成策略，对推动可持续化学工业发展具有重要意义。论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》期刊。