可见光驱动Ru-RuO2 /TiO2 异质结高效光催化分解水制氢机制研究

　　针对TiO2 光催化剂可见光响应弱和载流子复合快的问题，研究人员通过浸渍法构建Ru-RuO2 /TiO2 异质结材料，实现2.5 mmol g?1 h?1 的产氢速率，为设计高效稳定光催化体系提供新思路。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，氢能作为清洁能源载体备受关注。光催化分解水制氢技术中，二氧化钛(TiO₂
)因稳定性高、储量丰富成为研究热点，但其宽禁带特性导致可见光利用率低(<5%)，且光生电子-空穴对复合速率高达纳秒级，严重制约产氢效率。目前通过形貌调控、氧空位工程等手段虽能提升性能，但非贵金属催化剂产氢速率普遍低于1 mmol g^?1
h^?1
。钌(Ru)及其氧化物(RuO₂
)作为助催化剂可协同促进电荷分离，但二者在TiO₂
表面的协同作用机制尚不明确。

新疆生产建设兵团的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，采用浸渍-氢还原法构建Ru-RuO₂
/TiO₂
复合催化剂。通过X射线衍射(XRD)、密度泛函理论(DFT)计算等技术证实，Ru-RuO₂
纳米簇在TiO₂
表面形成N-N型异质结，使可见光产氢速率达2.5 mmol g^?1
h^?1
，较纯TiO₂
提升15.6倍，且循环4次后活性无衰减。

关键实验方法

1. 催化剂制备：以RuCl₃
   ·xH₂
   O为前驱体，通过浸渍法负载于P25型TiO₂
   ，经80℃干燥后以5℃/min升温至300℃煅烧2小时，H₂
   气氛下还原获得Ru-RuO₂
   /TiO₂
   。
2. 结构表征：采用XRD分析晶相，透射电镜(TEM)观察纳米簇分散性，X射线光电子能谱(XPS)测定元素价态。
3. 性能测试：300W氙灯模拟可见光，气相色谱(GC)定量产氢量，电化学工作站测试光电流响应。

研究结果
Preparation of RuO₂
/TiO₂
catalyst
H₂
预处理使RuO₂
部分还原为金属Ru，形成粒径5-8nm的Ru-RuO₂
纳米簇，均匀分散于TiO₂
的(101)晶面。

Phase and structure characterization
XRD显示复合材料保留TiO₂
的锐钛矿(PDF#21–1272)和金红石(PDF#21–1276)双相结构，Ru(101)晶面衍射峰表明金属态Ru成功生成。DFT计算揭示Ru-RuO₂
/TiO₂
界面存在0.35eV的能带偏移，促进电子从TiO₂
导带向Ru迁移。

Conclusions
异质结使光电流密度提升4倍，可见光吸收边红移至550nm。稳定性测试表明Ru-RuO₂
纳米簇可抑制TiO₂
表面羟基自由基(·OH)对催化剂的腐蚀。

该研究通过构建金属-氧化物双活性中心，突破传统TiO₂
催化剂性能瓶颈，为设计"宽光谱响应-快速电荷分离"协同催化体系提供新范式。Yonghua Yao等作者提出的界面工程策略，对开发其他半导体-贵金属复合催化剂具有普适指导意义。