近日，我院青年教师王海青博士在Chemical Communications（化学一区TOP期刊，影响因子：6.29）上发表了题为“Hybrid nanostructures of pit-rich TiO2 nanocrystals with Ru loading and N doping forenhanced solar water splitting”的论文。青年教师王海青为该论文的第一作者和通讯作者，刘宏教授作为共同通讯作者。论文的完成也得益于清华大学化学系王训教授的倾心指导，在此表示衷心感谢。

论文研究背景和出发点：

半导体氧化物纳米结构、界面和能带设计分别提高活性表面积、光生载流子的分离和可见光吸收，是设计高效光催化剂和光电器件的有效手段。

（1）纳米晶体因其连续的内部晶体结构有利于光生载流子的分离和传输。但是，因纳米晶体具有较高的表面能，更倾向于形成有序的完整结构，因此，多孔纳米晶体的制备具有挑战性。

（2）异质界面的设计，通过负载具有不同电子亲和能的贵金属或半导体，可以有效的实现光生载流子的空间分离，从而提升光催化效率。

（3）在太阳光谱中，高能量的紫外仅占4%，如何更多的利用可见光进行光催化反应，具有重大意义。

因此，构建同时具有多孔纳米晶体、异质界面和带宽修饰的光催化剂，协同增强光催化水裂解具有重要的现实意义。

论文内容：

（1）多孔纳米晶体的制备：

本论文中，我们精心开发出一种普适制备多孔氧化物纳米晶体（TiO2、ZrO2、HfO2等）的方法，即以二氯二茂金属作为前驱体（图1a），通过热解水热制备形成的纳米颗粒，纳米颗粒内部的大量有机部分残留的热解，形成纳米晶体表面大量的凹坑/多孔结构（图1c），可以显著增加纳米颗粒的比表面积（图1b），有利于非均相催化表面吸附和反应的发生。

图1（a）催化剂的制备过程、（b）氮气吸附脱附和（c）高分辨HRTEM

（2）氧化钌/TiO2、钌/氮掺杂-TiO2异质界面的构建：

我们通过冷冻干燥法负载钌前驱体，通过焙烧过程，可以实现氧化钌在多孔氧化钛纳米晶体表面的均匀分布。通过后续的氨气气氛下焙烧过程，可以一石二鸟，即同时实现氧化钛的氮掺杂进行催化剂的带宽修饰和钌/TiO2的Schottky异质界面的构建（图2）。

图2（a）催化剂的XRD、（b）高分辨HRTEM和（c）元素分布图

（3）光催化性能

氧化钌作为金属氧化物因具有部分填充的金属（d）-氧（p）π*带，表现出高的化学稳定性和费米能级以及良好的电子传导能力，从而在光催化过程中有利于空穴的分离和氧化反应的发生。因此，氧化钌/TiO2的光催化剂，表现出明显增强的光催化性能。而钌/氮掺杂-TiO2催化剂表现出最优的催化性能，通过与其它催化剂比较，我们认为其优异的催化性能得益于氧化钛纳米晶颗粒的多孔结构、氮掺杂的带宽修饰和钌/TiO2的Schottky异质界面的协同。

图3（a、b）催化剂的析氢性能、（b）光电流和（c）催化机理

论文结论

我们成功制备了富有凹坑的钌/氮掺杂-TiO2纳米晶杂合光催化剂，该催化剂同时具有多孔结构、钌/TiO2的Schottky异质界面和氮掺杂的带结构，分别增强表面吸附和反应、光生载流子的分离和可见光的吸收，从而协同提升光催化剂性能。同时，我们的合成还提供了一种采用二氯二茂金属作为前驱体制备富有凹坑纳米晶体结构的一种普适性方法。期望我们的工作对光催化剂和光电器件的设计和制备,以及纳米晶体的合成提供新的思路。

文章的全文

Hybrid nanostructures of pit-rich TiO2 nanocrystals with Ru loading and N doping for enhanced solar water splitting,Chem. Commun.,2019,55,2781-2784.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cc/c8cc10093d#!divAbstract