电沉积Co3O4与CoOOH共催化剂修饰TiO2纳米管光阳极增强电催化与光电催化析氧性能研究

为解决TiO2纳米管光阳极电荷复合率高、析氧反应（OER）效率低的问题，研究人员通过电沉积法在TiO2-NTs表面构建Co3O4和CoOOH共催化剂。结果表明，CoOOH修饰电极的OER起始电位降至0.80 V（vs. Ag/AgCl），光电流提升2倍，其质子耦合电子转移能力显著提升了TiO2基材料的太阳能水分解与污染物降解性能。

　　

在全球能源转型与环境污染治理的双重挑战下，开发高效稳定的光电催化材料成为研究热点。钛 dioxide（TiO₂）纳米管因其优异的化学稳定性和光响应特性被视为理想的光阳极材料，但其固有的电荷复合问题严重制约了析氧反应（OER）效率。Mariusz Wtulich和Anna Lisowska-Oleksiak团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，通过创新性的电沉积策略，在TiO₂纳米管表面构建了两种钴基共催化剂——尖晶石结构的Co₃O₄和羟基氧化钴（CoOOH），系统探究了它们对光电催化性能的调控机制。

研究团队采用水热退火（HA）处理的TiO₂纳米管作为基底，通过计时电流法精确控制钴纳米颗粒的成核与生长，随后通过热氧化和电化学氧化分别制备Co₃O₄和CoOOH修饰电极。利用SEM、XPS、拉曼光谱等技术证实了CoOOH中Co³⁺/Co⁴⁺氧化还原对的活性，并通过电化学阻抗谱（EIS）分析了界面电荷转移特性。

在"3. Results and discussion"部分，研究揭示了三个关键发现：

1. 1.

   材料表征：SEM显示CoOOH以纳米球形态均匀分布在TiO₂纳米管表面，XPS证实其表面富含Co-OH基团（531.7 eV特征峰），而Co₃O₄则形成致密层阻碍光吸收。

2. 2.

   电催化性能：CoOOH修饰电极的OER起始电位比未修饰TiO₂降低610 mV，Tafel斜率157 mV/dec表明其通过质子辅助电子转移（PAET）机制加速反应动力学。

3. 3.

   光电催化机制：在AM 1.5光照下，40 mC/cm² CoOOH负载量的电极光电流达70 μA/cm²，是Co₃O₄修饰电极的2倍。计时电流法发现光照停止后出现阴极电流，证实了超氧自由基（O₂^-•）对催化位点的暂时屏蔽效应。

在甲基ene蓝（MB）降解实验中，CoOOH修饰电极展现出45.4%的去除率，其双重作用机制被揭示：一方面通过表面羟基的静电吸附富集染料分子，另一方面通过光生空穴氧化产生的羟基自由基（•OH）和Co⁴⁺活性中心实现高效降解。

这项研究的重要意义在于：

1. 1.

   阐明了CoOOH作为"电解质可渗透型"催化剂的优势，其动态界面比Co₃O₄的刚性异质结更有利于电荷分离；

2. 2.

   提出了PAET机制在提升OER效率中的关键作用，为设计新型复合光阳极提供了理论依据；

3. 3.

   开发的电沉积-氧化法具有工艺简单、可控性强的特点，可推广至其他金属氧化物催化剂的制备。该工作为太阳能驱动的水分解和环境污染治理提供了新材料设计思路。