贵金属修饰二氧化钛(M/TiO2)催化剂的平带电势调控及其在甘油光电氧化反应中的构效关系研究

【编辑推荐】本研究通过紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)、光电流响应等光电化学方法，系统揭示了Pt/Pd/Au修饰TiO2(P25)催化剂的平带电势(Fermi level)比纯TiO2高0.1-0.3 V的规律，发现甘油酸法拉第效率(Faradaic efficiency)达100%时仍存在额外光氧化路径，为设计高效光电催化体系提供了能级调控新策略。

　　

Highlight

通过还原沉积法成功制备了金属含量0.01-1 wt%的xM/P25催化剂（M=Pt/Pd/Au）。XRD显示除1% Au/P25出现金相外，其余样品均保持锐钛矿/金红石混晶结构。UV-vis证实贵金属引入使催化剂获得可见光区（λ>400 nm）吸收能力。XPS分析表明金属以单质态存在，且与TiO₂界面发生电荷重排。

Results and discussion

光电氧化实验显示：所有催化剂在370-450 nm波长区均产生光电流，370 nm活性最高。甘油氧化产物包括甘油醛、甘油酸、羟基丙酮酸等，其中甘油酸法拉第效率接近100%，总效率超100%证实存在非法拉第光氧化路径。通过莫特-肖特基(MS)、开路电位(OCP)和光电流起始电位(POP)三种方法测定，发现M/P25平带电势比P25高0.1-0.3 V，且与金属种类/含量无关。

Discussion

三种光电化学方法测得P25平带电势为-0.31 V vs. RHE，与混晶比例相符。金属修饰后电势正移源于金属-半导体界面形成的肖特基势垒(Schottky barrier)，该势垒能有效抑制光生电子-空穴复合。值得注意的是，光电流起始电位法因缺乏零电流过渡区而不适用于含金属催化剂。

Conclusion

研究证实贵金属修饰通过调控TiO₂能带结构显著提升光电性能，平带电势与法拉第效率存在明确相关性。该发现为设计高效光电催化体系提供了能级工程指导，尤其在生物质转化领域具有应用潜力。