Пряме зондування атомно-дисперсних видів Ru над багатогранним TiO2 для отримання високої ефективності

Переглянути всі Сховати авторів та приналежності

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Запис ORCID для Сюн Вень (Девід) Лу
Для листування: [email protected]

Анотація

Кокаталізатор необхідний для підвищення ефективності поділу електронної дірки та прискорення кінетики реакції напівпровідників. Як результат, надзвичайно важливо відстежувати in situ структурну еволюцію кокаталізатора під час фотокаталітичного процесу, але це залишається дуже складним завданням. Тут атомно-дисперсні атоми Ru прикрашені багатогранними сферами TiO2 для фотокаталітичного виділення водню. Експериментальні результати не тільки демонструють, що фотогенеровані електрони можуть бути ефективно перенесені до ізольованих атомів Ru для виділення водню, але також свідчать про те, що архітектура TiO2 з кількома ребрами може полегшити поділ та транспорт заряду. Зміна валентності та еволюція електронної структури ділянок Ru добре досліджуються під час фотокаталітичного процесу. Зокрема, оптимізований каталізатор забезпечує швидкість виділення водню 7,2 ммоль г −1 год −1, що набагато вище, ніж у системах кокаталізаторів на основі Pt, і серед найвищих повідомлених значень.

ВСТУП

Фотокаталітичне розщеплення води за допомогою напівпровідникових фотокаталізаторів вважається стійким способом отримання чистого водневого (Н2) палива (1, 2). Кокаталізатори зазвичай наносяться на поверхню фотокаталізаторів для уповільнення рекомбінації носіїв заряду та посилення поверхневої реакції (3–6). Pt часто демонструє найкращі показники серед різних співкаталізаторів. Однак практичне застосування сокаталізаторів на основі Pt сильно обмежене їх дефіцитом і високою вартістю. Тому терміново необхідна розробка високоактивних та економічно ефективних альтернатив Pt. Як дешевша альтернатива Pt, Ru має подібну міцність зв’язку з воднем (приблизно 65 ккал моль -1), але діяльність сокаталізаторів на основі Ru все ще далека від задовільної (7, 8). Оскільки в реакції в якості активних центрів беруть участь лише поверхневі атоми, має бути великий простір для підвищення каталітичної ефективності (9).

Зменшення розміру сокаталізатора до ізольованих атомів являє собою межу зменшення максимальної ефективності використання атомів. Більше того, рівномірно розподілені ізольовані активні ділянки забезпечують нам елегантну платформу для вивчення точних взаємозв’язків між структурою та характеристиками на атомному/молекулярному рівнях (10). Варіації електронної структури кокаталізаторів та їх взаємодії з поглиначами світла мають життєво важливе значення для розуміння механізму під час фотокаталізу (11). Одноатомні каталізатори з майже однаковими каталітично активними центрами дають нам можливість контролювати структурну еволюцію під час реакційного процесу (12). Однак детермінована ідентифікація локальної атомної конфігурації та відповідного динамічного процесу все ще є дуже складною.

Тут ми прикрасили ізольовані атоми Ru (кокаталізатор) над багатогранною сферою TiO2 (позначається як ME-TiO2 @ Ru) для ефективної фотокаталітичної еволюції H2. ME-TiO2 з різкою межею прискорює перенесення електрона разом з високоорієнтованими кристалами до атомно-дисперсного сокаталізатора Ru, що значно покращує ефективність виділення H2. Зокрема, застосовується техніка тонкої структури рентгенівського поглинання in situ (XAFS) для зондування динамічного розвитку ізольованих ділянок під час каталітичного процесу. Після опромінення світлом види Ru поступово зазнають еволюції валентності та конфігурації, завдяки чому динамічно фоторозщеплюється вода на сонячне паливо.

РЕЗУЛЬТАТИ

Синтез та структурна характеристика

Крок I: Завантаження компонента Ru на поверхню ME-PT. Крок II: Піроліз завантаженого Ru-ME-PT для отримання кінцевого гібриду.

Завантажте зображення високої роздільної здатності
Відкрити в новій вкладці
Завантажте Powerpoint

(A і ) Зображення FESEM із завантаженим Ru-процесором ME-PT. (C. і D) Зображення TEM із завантаженим Ru-процесором ME-PT. (Е і F) Зображення FESEM ME-TiO2 @ Ru. (G до Я) TEM-зображення ME-TiO2 @ Ru. (J і К) Зображення HRTEM ME-TiO2 @ Ru. (L) Зображення HAADF-STEM та пов’язані з ним елементи відображення елементів ME-TiO2 @ Ru; шкала, 200 нм.

Завантажте зображення високої роздільної здатності
Відкрити в новій вкладці
Завантажте Powerpoint

(A і ) Зображення FESEM із завантаженим Ru-процесором ME-PT. (C. і D) Зображення TEM із завантаженим Ru механізмом ME-PT. (Е і F) Зображення FESEM ME-TiO2 @ Ru. (G до Я) TEM-зображення ME-TiO2 @ Ru. (J і К) Зображення HRTEM ME-TiO2 @ Ru. (L) Зображення HAADF-STEM та пов’язані з ним елементи відображення елементів ME-TiO2 @ Ru; шкала, 200 нм.

Спостереження FESEM над ME-TiO2 @ Ru показує збережену архітектуру з невеликою усадкою (рис. 2, E та F). Дослідження TEM та TEM з високою роздільною здатністю (HRTEM) не тільки підтверджують листоподібну мікроструктуру з різними краями, але також перевіряють генерацію кристалітів анатазу TiO2 з імовірно відкритими (101) гранями (рис. 2, G до K). Явних наночастинок або скупчень Ru не спостерігається, що свідчить про відсутність агрегації видів Ru. Картина рентгенівської дифракції (XRD) ME-TiO2 @ Ru показує лише однакові дифракційні піки анатазу TiO2, що узгоджується з гратами решіток на зображеннях HRTEM (рис. S1D) (14). Висококутне кільцеве скануюче темне поле у вигляді темного поля (HAADF-STEM), енергетично-дисперсійні спектри рентгенівської спектроскопії та зображення на елементарних картах свідчать про рівномірний розподіл видів Ru по всій кулі ME-TiO2 @ Ru (рис. 2L та рис. S4). Для довідки також були синтезовані наночастинки TiO2, а також окремі наночастинки TiO2, оздоблені атомами Ru (TiO2 @ Ru) (рис. S1, E і F, і S2, G до I).

(A) Фур'є-трансформовані величини експериментальних спектрів EX-краю K-краю Ru. ( і C.) Фур'є-трансформовані величини спектрів K-краю EXAFS Ru в R-просторі (B) та K-просторі (C) для ME-TiO2 @ Ru. (D) Ru K-край експериментальних спектрів XANES. (Е) WT для k-зваженого сигналу EXAFS.

Завантажте зображення високої роздільної здатності
Відкрити в новій вкладці
Завантажте Powerpoint

(A) Фур'є-трансформовані величини експериментальних спектрів EX-краю K-краю Ru. ( і C.) Перетворені Фур'є величини спектрів K-краю EXAFS Ru у R-просторі (B) та K-просторі (C) для ME-TiO2 @ Ru. (D) Ru K-край експериментальних спектрів XANES. (Е) WT для k-зваженого сигналу EXAFS.