葡萄糖碳热还原合成海胆状锐钛矿-金红石混晶TiO2-x/C用于增强可见光催化产氢性能研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Glucose-derived carbon-mediated carbothermal reduction synthesis of sea-urchin-like anatase-rutile TiO 2-x/C for enhanced visible-light photocatalytic H 2 evolution

　　本文通过水热-碳热还原法成功合成了具有海胆状形貌的锐钛矿-金红石混晶A-R TiO2-x/C复合材料。研究表明葡萄糖和硝酸对调控材料形貌至关重要，而葡萄糖用量可调节晶相比例。碳热还原产生的Ti3+和石墨碳与紧密异质结协同作用，显著提升材料可见光吸收和载流子分离效率，最优样品可见光下产氢速率达2241 μmol·g-1·h-1，为TiO2-x/C的45.7倍。该研究为通过氧空位和混晶协同策略优化TiO2基光催化材料提供了新思路。

　　

亮点

本研究通过葡萄糖介导的碳热还原法成功构建了海胆状A-R TiO_2-x/C复合材料，其独特的混晶结构与Ti³⁺/碳协同作用显著提升了光催化产氢性能。

A-R TiO_2-x/C-X杂化材料的合成

方案1展示了A-R TiO_2-x/C复合材料的合成示意图。首先在冰水浴条件下，将5 mL四氯化钛(TiCl₄)加入50 mL去离子水中，所得溶液转移至100 mL棕色容量瓶定容，用铝箔包裹后于5°C冷藏备用。随后将特定量葡萄糖加入53 mL去离子水，搅拌溶解后依次加入2 mL硝酸和5 mL上述TiCl₄溶液。混合液转移至100 mL水热反应釜，180°C反应12小时。冷却后收集白色沉淀，洗涤干燥后在氩气氛围中以5°C/分钟升温至500°C煅烧2小时，最终获得海胆状A-R TiO_2-x/C复合材料。通过调整葡萄糖用量（0.5-1.5 g）制备了系列样品，分别标记为A-R TiO_2-x/C-X（X=0.5, 1.0, 1.5）。

X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)和拉曼光谱分析

图1展示了样品的XRD图谱。如图1(a)所示，TiO₂和TiO₂/H⁺样品呈现纯金红石结构，而TiO_2-x/C为纯锐钛矿结构。相比之下，A-R TiO_2-x/C-1.0同时包含金红石和锐钛矿相，且金红石相占主导。这表明制备过程中硝酸的添加不影响TiO₂晶相，而葡萄糖的引入可诱导锐钛矿相形成。随着葡萄糖用量增加（图1(b)），锐钛矿相衍射峰强度逐渐增强，说明葡萄糖含量可有效调控混晶比例。

结论

综上所述，本研究以葡萄糖为碳源，通过水热-碳热还原法成功合成了具有海胆状形貌的锐钛矿-金红石混晶A-R TiO_2-x/C复合材料。研究揭示葡萄糖和硝酸对海胆状结构的形成起关键作用，且葡萄糖用量可精准调控混晶比例。葡萄糖衍生碳在氩气氛围煅烧过程中将部分Ti⁴⁺还原为Ti³⁺，显著增强材料可见光吸收能力。最优样品A-R TiO_2-x/C-1.0在可见光和模拟太阳光下的产氢速率分别达到2241 μmol·g^-1·h^-1和5076 μmol·g^-1·h^-1，性能提升源于紧密异质结、Ti³⁺和石墨碳的协同效应。该工作为发展高效TiO₂基光催化材料提供了新策略。