中国科学院金属研究所刘岗，发表JACS！

在环境条件下，使用TiO₂实现高效的光催化整体水分解是一种有效的产氢方案。尽管近年来在提高TiO₂光催化性能方面做出了广泛努力，但在环境条件下实现无牺牲剂的整体水分解的高量子产率仍然是一个巨大挑战。这主要源于存在高浓度Ti³⁺缺陷和电荷分离的驱动力不足，导致光生电荷的重组严重。

有研究表明，对于Ti³⁺缺陷，三价金属离子掺杂一直是一种有效的策略。同时，晶面结的内置电场为颗粒光催化剂的电荷分离提供了强大的驱动力。因此，钝化有害Ti³⁺缺陷和晶面结的整合可能提高TiO₂的光催化能力。

近日，中国科学院金属研究所刘岗课题组成功制备了梯度钪(Sc)掺杂的金红石TiO₂，其中低能(110)和高能(101)晶面良好平衡生长。系统的表征结果显示，Sc³⁺掺杂在抑制金红石TiO₂中的Ti³⁺缺陷方面比Al³⁺掺杂更有效。Sc³⁺和Ti⁴⁺之间的离子半径和轨道能比Al³⁺和Ti⁴⁺之间更接近，这导致Sc³⁺在没有重大晶格破坏的情况下更易于并入TiO₂晶格。

这使得掺杂剂的浓度梯度更优，有助于完全抑制颗粒内部的Ti³⁺深层缺陷和带电晶格氧缺陷，从而降低光生电子和空穴的提取概率。

此外，Sc掺杂导致(110)和(101)面之间的晶面结显著增强，促进了低/高能(110)/(101)晶面之间光生电子-空穴对的有效空间分离，从而在到达表面反应位点之前抑制电荷重组。

为了光催化整体水分解性能，通过原位光沉积在TiO₂上原位生长Pt纳米颗粒。结果表明，未掺杂的TiO₂表现出可忽略不计的活性，只产生微量的氢气(5.23 μmol h^-1)。

相比之下，Al-TiO₂和Sc-TiO₂都表现出显著的光催化整体水分解活性：Al-TiO₂实现了312 μmol h^-1的氢气析出率和154 μmol h^-1的氧气析出率；Sc-TiO₂的氢气析出率为758 μmol h^-1，氧气析出率为372 μmol h^-1。

此外，Sc-TiO₂光催化剂在连续五个反应循环后仍保持了良好的初始活性，证明了其优异的稳定性。还有就是，Sc-TiO₂在360 nm处实现了30.3%的表观量子产率(AQY)，太阳能-氢气(STH)转化率为0.34%，优于所有文献报道的TiO₂基光催化剂。

Spontaneous exciton dissociation in Sc-doped rutile TiO₂ for photocatalytic overall water splitting with an apparent quantum yield of 30%. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c01936