缺陷诱导铜掺杂TiO2纳米纤维实现高效太阳能光催化制氢

来自某研究团队通过电纺丝技术制备了具有精确形貌调控的铜掺杂TiO2纳米纤维（Cux@TiO2），解决了TiO2宽带隙和载流子复合率高的问题。该材料在可见光下表现出120倍于纯TiO2的产氢速率（2.41 mmol·g?1·h?1），其增强机制源于氧空位、Cu2+掺杂协同作用及改善的电荷分离效率，为太阳能制氢提供了新策略。

　　

通过电纺丝（electrospinning）技术合成的钛 dioxide（TiO₂）纳米纤维具有高比表面积和孔隙率，但其宽带隙特性与光生载流子的快速复合限制了实际应用。本研究通过精确调控纳米纤维的直径与形貌，成功制备了铜掺杂的一维TiO₂（Cu_x@TiO₂）纳米纤维，用于可见光驱动的光催化产氢反应（hydrogen evolution reaction, HER）。纤维状纳米结构显著提升了质量传输与活性位点可及性，使产氢速率达到2.41 mmol·g^?1·h^?1，较纯TiO₂提高120倍。

X射线光电子能谱（XPS）和正电子湮灭寿命谱（PALS）分析证实了材料中氧空位与缺陷的存在，电子顺磁共振（EPR）检测到Cu²⁺的特征信号（g_∥ = 2.33, g_⊥ = 2.06），这些特征共同促进了光生电荷的有效分离与传输。光电流响应实验进一步表明该材料在HER中具有优异的电子转移能力。铜与TiO₂的协同作用不仅增强了可见光吸收，还显著抑制了光生电子-空穴对的复合。通过电子局域函数（electron localization function, ELF）计算发现，Cu掺杂TiO₂的[101]晶面具有更低的吸附能，从而提升了水分子吸附能力，进一步提高了光催化活性。