二氧化钛光催化材料实现可见光全谱吸收 对太阳能大范围高效利用具有重要意义

近日，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部制备出具有可见光全光谱吸收的红色二氧化钛光催化材料，这意味着有可能利用二氧化钛基光催化材料实现高效可见光分解水制氢，对于太阳能的大范围高效利用具有重要的意义。相关成果先后发表于国际学术期刊《先进功能材料》和《能源与环保科学》。

据介绍，通过光催化实现太阳能到化学能的转化，例如光催化分解水制氢，是获得新能源的一个极具前景的重要途径。发展可全光谱吸收可见光（波长为400～700纳米）的光催化材料，是实现高效太阳能光催化转化的前提。然而，多数稳定的光催化材料的可见光吸收低。通过掺杂能缩小光催化材料的带隙，是增加光催化材料可见光吸收的基本手段。锐钛矿二氧化钛是目前科学界研究最为广泛的光催化材料。利用掺杂手段，可在一定程度上增加该材料的可见光吸收，但此前要实现可见光全谱强吸收仍是未解的难题。

此次科研人员通过间隙原子弱化金属原子与氧（M-O）的键合实现替代晶格氧的掺杂原子进入体相的新方法，成功突破了在非层状结构材料（如二氧化钛）中实现掺杂原子的体相掺杂，从而获得了硼/氮梯度共掺杂锐钛矿二氧化钛材料。改良材料呈现独特的红色，实现了可见光全谱强吸收，将二氧化钛光电解水产氢的活性光响应范围拓展至700纳米。

研究人员还系统研究了可见光全谱吸收二氧化钛掺杂的原子键尺度理论机制。

该研究得到国家自然科学基金委重大研究项目、科技部“973”项目和中科院“太阳能行动计划”的资助。