Testarea directă a speciilor de Ru dispersate atomic peste TiO2 multi-tiv pentru eficiență ridicată

Vedeți toți Ascundeți autorii și afilierile

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Record ORCID pentru Xiong Wen (David) Lou
Pentru corespondență: [email protected]

Abstract

Un cocatalizator este necesar pentru creșterea eficienței separării electron-gaură și accelerarea cineticii reacției semiconductoarelor. Ca rezultat, este de o importanță critică urmărirea in situ a evoluției structurale a cocatalizatorului în timpul procesului fotocatalitic, dar rămâne foarte dificilă. Aici, atomii de Ru dispersați atomic sunt decorați pe sfere TiO2 cu muchii multiple pentru evoluția hidrogenului fotocatalitic. Rezultatele experimentale nu numai că demonstrează că electronii fotogenerați pot fi transferați în mod eficient la atomii de Ru izolați pentru evoluția hidrogenului, dar implică și faptul că arhitectura TiO2 cu margini multiple ar putea facilita separarea și transportul sarcinii. Schimbarea valenței și evoluția structurii electronice a siturilor Ru sunt bine testate în timpul procesului fotocatalitic. În mod specific, catalizatorul optimizat produce o rată de evoluție a hidrogenului de 7,2 mmol g -1 oră -1, care este mult mai mare decât cea a sistemelor de cocatalizatori pe bază de Pt și printre cele mai mari valori raportate.

INTRODUCERE

Împărțirea fotocatalitică a apei utilizând fotocatalizatori semiconductori a fost considerată o modalitate durabilă de a produce combustibil curat cu hidrogen (H2) (1, 2). Cocatalizatorii sunt de obicei depuși pe suprafața fotocatalizatorilor pentru a întârzia recombinarea purtătorilor de sarcină și pentru a spori reacția de suprafață (3-6). Pt prezintă adesea cea mai bună performanță printre diferiți cocatalizatori. Cu toate acestea, aplicațiile practice ale cocatalizatorilor pe bază de Pt sunt mai sever limitate de lipsa lor și de costul ridicat. Prin urmare, este urgent necesară dezvoltarea unor alternative extrem de active și rentabile la Pt. Ca alternativă mai ieftină la Pt, Ru are o rezistență similară a legăturii cu hidrogenul (cca 65 kcal mol -1), dar activitățile cocatalizatorilor pe bază de Ru sunt încă departe de a fi satisfăcătoare (7, 8). Deoarece doar reacția atomilor de suprafață este implicată ca situsuri active, ar trebui să existe un spațiu excelent pentru creșterea eficienței catalitice (9).

Reducerea dimensiunii cocatalizatorului la atomi izolați reprezintă limita de reducere a eficienței maximizate de utilizare a atomilor. Mai mult, site-urile active izolate distribuite uniform ne oferă o platformă elegantă pentru explorarea unor relații precise structură-performanță la nivel atomic/molecular (10). Variația de structură electronică a cocatalizatorilor și interacțiunile acestora cu absorbanții de lumină sunt de o importanță vitală pentru înțelegerea mecanismului în timpul fotocatalizei (11). Catalizatorii cu un singur atom, cu situri active catalitice aproape identice, ne oferă posibilitatea de a monitoriza evoluția structurală în timpul procesului de reacție (12). Cu toate acestea, identificarea deterministă a configurației atomice locale și a procesului dinamic corespunzător este încă foarte dificilă.

Aici, am decorat atomii de Ru izolați (cocatalizatorul) peste sfera TiO2 cu muchii multiple (denumită ME-TiO2 @ Ru) pentru o evoluție eficientă a H2 fotocatalitică. ME-TiO2 cu o limită ascuțită accelerează transferul de electroni, împreună cu cristalele foarte orientate către cocatalizatorul Ru dispersat atomic, ceea ce îmbunătățește foarte mult eficiența evoluției H2. În special, tehnica in situ a structurii fine de absorbție a razelor X (XAFS) a fost aplicată pentru a testa evoluția dinamică a siturilor izolate în timpul procesului catalitic. La iradiere ușoară, speciile Ru suferă treptat evoluția valenței și a configurației, împărțind astfel apa în combustibili solari într-o manieră dinamică.

REZULTATE

Sinteza și caracterizarea structurală

Pasul I: Încărcarea componentei Ru pe suprafața ME-PT. Pasul II: Piroliza ME-PT încărcată cu Ru pentru obținerea hibridului final.

Descărcați imagini de înaltă rezoluție
Deschideți într-o filă nouă
Descărcați Powerpoint

Pasul I: Încărcarea componentei Ru pe suprafața ME-PT. Pasul II: Piroliza ME-PT încărcată cu Ru pentru obținerea hibridului final.

(A și ) Imagini FESEM ale ME-PT încărcate cu Ru. (C și D) Imagini TEM ale ME-PT încărcate cu Ru. (E și F) Imagini FESEM ale ME-TiO2 @ Ru. (G la Eu) Imagini TEM ale ME-TiO2 @ Ru. (. și K) Imagini HRTEM ale ME-TiO2 @ Ru. (L) Imagine HAADF-STEM și imagini de mapare elementare conexe ale ME-TiO2 @ Ru; bară de scară, 200 nm.

Descărcați imagini de înaltă rezoluție
Deschideți într-o filă nouă
Descărcați Powerpoint

Observația FESEM asupra ME-TiO2 @ Ru arată arhitectura bine păstrată, cu ușoară contracție (Fig. 2, E și F). Investigațiile TEM și TEM de înaltă rezoluție (HRTEM) nu numai că confirmă microstructura în formă de foaie cu margini multiple, dar verifică și generarea cristalitelor de anatază TiO2 cu fațete presupuse (101) expuse (Fig. 2, G până la K). Nu se observă nanoparticule sau clustere aparente de Ru, ceea ce indică faptul că nu s-a produs nicio agregare a speciilor de Ru. Modelul de difracție cu raze X (XRD) al ME-TiO2 @ Ru prezintă doar vârfuri de difracție identice ale anatazei TiO2, care este de acord cu marginile de rețea din imaginile HRTEM (fig. S1D) (14). Imaginea TEM (HAADF-STEM) de scanare cu câmp întunecat inelar cu unghi înalt, spectrele de spectroscopie cu raze X cu dispersie energetică și imaginile elementare de cartografiere indică faptul că specia Ru este distribuită uniform pe întreaga sferă ME-TiO2 @ Ru. 2L și Fig. S4). Pentru referință, au fost sintetizate și nanoparticulele TiO2, precum și nanoparticulele TiO2 decorate cu atomi de Ru izolate (TiO2 @ Ru) (figurile. S1, E și F și S2, G la I).

(A) Mărimi transformate în Fourier ale spectrelor experimentale Ru K-edge EXAFS. ( și C) Mărimi transformate Fourier ale spectrelor EXAFS ale marginii K în spațiul R (B) și spațiul K (C) pentru ME-TiO2 @ Ru. (D) Spectrele experimentale Ru K-edge XANES. (E) WT pentru semnalul EXAFS ponderat k 2.

Descărcați imagini de înaltă rezoluție
Deschideți într-o filă nouă
Descărcați Powerpoint