DOI: 10.1021/acsanm.2c04575

小尺寸颗粒通常作为助催化剂，固定在大尺寸光催化剂上，以实现快速电荷分离。然而，光催化剂设计的当前问题是，高负载小颗粒会完全覆盖光催化剂，从而导致氢气产量的减少。在此，本研究提出了一种构建光催化系统的新方法。采用大型氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）与TiO2量子点耦合。优化的光催化系统的H2产率约为146mmol/g。进一步考虑光致热效应，H2产率达到约320.6mmol/g。电化学和光谱数据表明，大尺寸的N-CNTs可以提供丰富的活性位点，以实现快速的载流子分离，从而大大提高氢气产量。

图1.TiO2与不同浓度N-CNTs耦合的XRD图谱。还显示了纯N-CNTs和纯TiO2的XRD图以进行比较。（101）、（004）、（200）、（105）和（204）平面对应于纯TiO2。

图2.（a）竹子状N-CNTs的SEM显微照片。（b）竹子状N-CNTs的TEM显微照片。（c）N-CNTs的HAADF-STEM图像。（d-f）C、N和Co的EDS元素分布。

图3.（a）TiO2量子点的低倍放大TEM显微照片。（b）TiO2量子点的原子尺度TEM显微照片。（c-g）TiO2@N掺杂碳纳米管的低倍放大HAADF-STEM显微照片和EDS元素图。（h-l）TiO2@N掺杂碳纳米管的高倍放大HAADF-STEM显微照片和EDS元素图。

图4.（a）一系列样品的光催化H2产率随反应时间的变化。（b）该光催化剂4小时的H2产率。（c）优化样品的循环稳定性。（d）不同带通滤波器下的光催化H2产率。（e）基于优化的样品，总结了4小时内不同带通滤波器的H2产率。（f）优化样品的表观量子效率与UV-vis光谱。（g）在不同反应温度下获得的光催化H2产率。（h）基于优化的样品，总结了不同反应温度下4小时内的H2产率。

图5.（a）所制备光催化剂的UV-vis曲线。（b）TiO2和优化样品的Tauc图。（c）TiO2在频率为1、3和5kHz时的Mott-Schottky曲线。（d）优化样品在频率为1、3和5kHz时的Mott-Schottky曲线。

图6.（a）TiO2和复合材料（5%CN）的PL光谱。（b）TiO2和复合材料的瞬态光电流。（c）TiO2和复合材料的EIS曲线。（d）TiO2和复合材料的LSV。（e）析氢示意图。

图7.（a）氮掺杂碳纳米管、TiO2和优化样品的·O2-自由基的ESR光谱。（b）N掺杂碳纳米管、TiO2和优化样品的·OH自由基的ESR光谱。（c）TiO2和优化样品的Ti2p的高分辨率XPS。（d）TiO2和优化样品的O1s的高分辨率XPS。（e）N-CNTs的去卷积N1s光谱。（f）N-CNTs耦合TiO2的去卷积N1s光谱。