基于天然钛矿构建g-C3N4/TiO2/Pt异质结的高效光解水制氢研究

本研究针对传统TiO2制备高能耗、高污染问题，创新性地以钛精矿为原料，通过机械活化-氧化-还原-酸浸工艺高效富集TiO2，并构建g-C3N4/TiO2-6/Pt异质结材料。该复合材料在5小时内产氢速率达6.42 mmol/g/h，较传统P25基材料提升8.4%，为矿物资源高值化利用和清洁能源开发提供新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，清洁可再生的氢能成为研究热点。然而，传统光催化材料面临两大瓶颈：一是商用TiO₂主要依赖化工原料制备，生产过程高耗能高污染；二是其3.2 eV的宽带隙仅能利用不足5%的太阳光谱。如何通过绿色工艺开发高效稳定的光催化剂，成为破解能源与环境双重困局的关键。

云南基础研究项目团队创新性地将目光投向天然钛矿资源。研究人员以攀钢集团攀枝花钛精矿为原料，开发出"机械活化-氧化-还原-酸浸"四步法新工艺，成功制备出高活性TiO₂基底。与传统高温煅烧工艺相比，该方法能耗降低30%以上，钛回收率提升至92%。更突破性的是，团队通过构建g-C₃N₄/TiO₂-6/Pt三明治结构，利用g-C₃N₄的窄带隙特性（2.7 eV）拓宽光响应范围，借助Pt纳米颗粒的"电子阱"效应促进电荷分离，最终使复合材料可见光利用率提升3倍。

研究主要采用三大关键技术：X射线衍射（XRD）分析矿物相变过程，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定能带结构，以及气相色谱（GC）在线监测产氢性能。通过对比商业P25材料，系统评估了矿物衍生TiO₂的结构-性能关系。

【结构表征】XRD图谱显示，机械活化后钛精矿（TC-1/TC-2）主要成分为钛铁矿（FeTiO₃），经氧化处理转化为伪板钛矿（Fe₂TiO₅），最终酸浸获得锐钛矿型TiO₂。比表面积测试表明，该TiO₂孔径集中在15-20 nm，为光催化反应提供丰富活性位点。

【性能测试】在模拟太阳光下，g-C₃N₄/TiO₂-6/Pt的产氢速率达6.42 mmol/g/h，较g-C₃N₄/P25/Pt提升8.4%。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻降低67%，证实异质结有效抑制了电子-空穴复合。

【结论与意义】该研究开创性地实现矿物资源-功能材料-清洁能源的全链条整合：一方面，绿色提取工艺使钛精矿附加值提升5倍；另一方面，构建的II型异质结通过能带梯度设计（g-C₃N₄的CB:-1.3 eV → TiO₂的CB:-0.5 eV → Pt）实现光生载流子定向迁移。发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的这项成果，不仅为钛矿资源高值化利用提供范例，更推动"双碳"战略下光催化制氢技术的工业化进程。