PHOTOCATALYTIC HYDROGEN GENERATION FROM WATER BY TiO2/Co3O4 COMPOSITE PHOTOCATALYSIS  

TiO?/Co?O?復合光催化劑光催化分解水產氫  

來源：Malaysian Journal of Analytical Sciences (MJAS), Volume 26, 2022, Pages 581-588

《馬來西亞分析科學雜志》第26卷，2022年，頁碼581-588  

 

摘要核心內容

 

本研究通過水熱合成結合球磨法制備了TiO?/Co?O?復合光催化劑（Co?O?負載量0.5%-2%），用于光催化分解水產氫。FESEM表征顯示復合材料呈現納米球與立方體混合形貌（圖2）。采用丹麥Unisense氫傳感器原位監測產氫性能，發現1% Co?O?負載量（TC-1）在純水中產氫速率最高（6.75 μmol·h?1·g?1），添加10%甲醇犧牲劑后提升至20.22 μmol·h?1·g?1（圖4）。電化學分析表明TC-1具有最低電荷轉移阻抗（圖3b），其p-n異質結結構有效促進光生載流子分離（圖5）。  

 

 

 

 

研究目的

 

1. 解決TiO?光催化劑帶隙寬（3.2 eV）、可見光吸收弱及電子-空穴復合快的問題  

2. 構建TiO?/Co?O? p-n異質結提升光催化產氫效率  

3. 優化Co?O?負載量（0.5%-2%）以實現最高產氫性能  

 

研究思路

 

1. 材料制備：  

   ? 水熱法合成Co?O?納米顆粒，球磨混合TiO? P25與Co?O?  

 

   ? 550℃退火制備TC-05（0.5%）、TC-1（1%）、TC-2（2%）復合物  

 

2. 形貌與結構表征：  

   ? FESEM分析表面形貌（圖2）：TiO?呈納米立方體（1.011 μm），Co?O?均勻分散（7.14 nm），TC-2出現團聚  

 

3. 電化學性能：  

   ? 線性掃描伏安法（LSV）測試光電流密度（圖3a）：TC-1達70 μA·cm?2  

 

   ? 電化學阻抗譜（EIS）分析電荷轉移能力（圖3b）：TC-1阻抗最低  

 

4. 光催化產氫實驗：  

   ? 使用Unisense氫傳感器實時監測產氫速率（圖1）  

 

   ? 對比純水與10%甲醇體系產氫性能（圖4）  

 

測量數據及研究意義

 

1. 光電流密度（圖3a）  

   ? 數據：TC-1光電流密度（70 μA·cm?2）顯著高于TC-05（45 μA·cm?2）和TC-2（30 μA·cm?2）  

 

   ? 意義：證實1% Co?O?負載量最佳，過量Co?O?（TC-2）因團聚降低活性位點  

 

2. 電荷轉移阻抗（圖3b）  

   ? 數據：TC-1的Nyquist圓弧半徑最小，電荷轉移阻抗最低  

 

   ? 意義：異質結界面電場加速載流子分離，減少電子-空穴復合  

 

3. 產氫速率（圖4）  

   ? 數據：  

 

     ? 純水體系：TC-1產氫速率6.75 μmol·h?1·g?1（TC-05：5.10，TC-2：5.70）  

 

     ? 甲醇體系：TC-1提升至20.22 μmol·h?1·g?1（較純水提高3倍）  

 

   ? 意義：  

 

     ? 甲醇作為空穴犧牲劑有效抑制復合，提升產氫效率  

 

     ? TC-1的p-n異質結結構優化電荷分離路徑（圖5）  

 

結論

 

1. 1% Co?O?負載量（TC-1）為最優比例，純水產氫速率6.75 μmol·h?1·g?1，甲醇體系達20.22 μmol·h?1·g?1  

2. p-n異質結機制：Co?O?（p型）與TiO?（n型）形成界面電場（圖5），驅動光生電子由Co?O?導帶向TiO?導帶遷移，空穴向相反方向遷移，實現高效電荷分離  

3. 過量Co?O?（TC-2）引發團聚，降低比表面積和活性位點，導致產氫性能下降  

 

Unisense氫傳感器的核心研究意義

 

丹麥Unisense氫傳感器在本研究中實現原位實時監測光催化產氫動態過程，其技術優勢包括：  

1. 高靈敏度與實時性：  

   ? 直接檢測微量氫氣（μmol級），分辨率達0.1 μmol·h?1·g?1，實現20分鐘間隔的連續監測（圖4）  

 

   ? 對比傳統氣相色譜（離線取樣），避免反應中斷與氣體損失  

 

2. 反應機理驗證：  

   ? 甲醇添加使產氫速率提升3倍（圖4b），直接證明空穴犧牲劑作用機制  

 

   ? 結合電化學數據，明確異質結結構（TC-1）與產氫性能的構效關系  

 

3. 技術普適性：  

   ? 適用于液相體系原位檢測，避免氣密反應器的復雜設計（圖1）  

 

   ? 為光催化產氫動力學研究提供高精度工具，尤其適合低產率體系（如純水分解）  

 

4. 應用拓展價值：  

   ? 可集成于光反應器在線監測系統，為規模化產氫工藝優化提供數據支撐