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云师大能环学院杨培志研究员团队在《Angewandte Chemie》发表最新研究成果

已有 316 次阅读 2025-12-11 21:44 |个人分类:云师大研究|系统分类:论文交流

近日，云南师范大学能源与环境科学学院杨培志团队在具有原位缺陷与表面等离子体共振的Ir/TiO₂异质结催化剂耐氯腐蚀的高效光催化海水制氢研究取得重要进展，相关成果以“Ir/TiO2 Heterojunctions with in Situ Defects and Surface Plasmon Resonance: Chloride-Resistant Catalyst for the Photocatalytic Hydrogen Evolution from Seawater”为题发表在国际知名TOP期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202519008。云南师范大学能源与环境科学学院博士研究生蒋胤为论文第一作者，云南师范大学能源与环境科学学院杨培志研究员、中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室秦鹏研究员，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室黄富强教授为共同通讯作者。

Abstract

Photocatalytic seawater splitting for hydrogen production emerges as a promising sustainable approach to alleviate energy crises and global warming. However, its practical application is critically hindered by Cl–-induced catalyst corrosion and poor long-term stability under harsh high-salt conditions. Herein, we report a rationally designed photocatalyst comprising Ir nanoclusters uniformly dispersed on the (101) facets of a mesoporous TiO2 matrix. This design in situ introduces Ti3+ species and oxygen vacancies within the TiO2 lattice to extend light absorption. The surface plasmon resonance effect of Ir nanoclusters promotes efficient charge separation at the Ir/TiO2 heterojunction, suppressing carrier recombination and boosting the utilization efficiency of photocarriers. Moreover, the Ir active sites demonstrate preferential coordination with H+/OH– species through coordination competition, reducing the overpotential for hydrogen evolution reaction, mitigating the competitive chloride oxidation reaction, and ensuring exceptional catalytic stability. Under full-spectrum light illumination, the 1% Ir/TiO2 catalyst achieves a hydrogen evolution rate of 0.46 mmol h−1 (46.00 mmol gcat−1 h−1) with a remarkable turnover frequency of 1163.38 h−1. This work establishes an effective strategy for constructing TiO2-based photocatalysts featuring low noble metal loading, robust Cl– corrosion resistance, and outstanding photocatalytic activity under harsh high-salt environments, offering a cost-effective route toward direct solar-driven hydrogen production from seawater.

Graphical Abstract

The local surface plasmon resonance (LSPR)-induced hot electrons in Ir nanoclusters undergo directional transfer to the (101) facets of TiO2, in situ generating Ti3+ defects. The selective adsorption of H+/OH– by Ir0, Irδ+, and Ti3+ sites avoids Cl corrosion, and the elevated local electrolyte temperature in simulated seawater compared with that in pure water accelerates photochemical reaction rates, collectively enhancing photocatalytic seawater splitting activity in simulated seawater.

随着全球能源危机和气候变化的加剧，绿色氢能作为一种高能量密度、零碳排放的能源载体，被视为传统化石燃料的理想替代品。光催化海水制氢作为一种可持续技术，在缓解能源危机和全球变暖方面展现出广阔前景，具有成本低、零碳排放和操作简单等优点。然而，海水中的高浓度氯离子（Cl⁻）会导致催化剂腐蚀，以及严酷高盐环境下长期稳定性不足等问题严重制约了其实际应用。

本课题组报道了一种合理设计的光催化剂，其由均匀分散于介孔二氧化钛基质（101）晶面上的铱纳米团簇构成。该设计在二氧化钛晶格中原位引入Ti³⁺物种和氧空位缺陷，从而拓宽了光吸收范围。铱纳米团簇的表面等离子体共振效应促进了Ir/TiO₂异质结处的高效电荷分离，抑制了载流子复合，提升了光生载流子的利用效率。此外，铱活性位点通过配位竞争机制优先与H⁺/OH^-物种配位，降低了析氢反应的过电位，抑制了竞争性的氯离子氧化反应，确保了卓越的催化稳定性。在全光谱光照下，1% Ir/TiO₂催化剂的产氢速率达到0.46 mmol·h^-1（46.00 mmol·g^-1·h^-1），转换频率高达1163.38 h^-1。本工作提出了一种构建低贵金属负载、强抗氯离子腐蚀性、高光催化活性的二氧化钛基光催化剂的有效策略，为严苛高盐环境下直接利用太阳能驱动海水制氢提供了一条经济可行的路径。

云南师范大学能源与环境科学学院为第一单位，第一作者为学院博士研究生蒋胤，导师为杨培志研究员。云南师范大学能源与环境科学学院杨培志研究员、中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室秦鹏研究员，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室黄富强教授为共同通讯作者。上述研究工作依托于新能源材料与器件团队，成果得到国家自然科学基金（U1802257、12264057）、云南省兴滇英才支持计划、春城计划科技领军人才（2022SCP005）、面向南亚东南亚科技创新中心建设项目（202403AP140015）以及中国科学院科学基金共同资助。