Applied Surface Science：重庆邮电大学王阳和重庆大学邹函君课题组开发了一种非对称Cu-O-Ti双活性位点策略来促进TiO₂光催化产氢

第一作者：邹函君

通讯作者：王阳、李春雨、班朝刚

DOI：10.1016/j.apsusc.2026.166657

利用太阳能进行光催化分解水制氢，为解决全球能源危机和环境问题提供了一条可持续途径。TiO₂由于其资源丰富、化学稳定性好以及在紫外光下具有可观的催化效率，被广泛认为是一种基准光催化剂。然而，其实际应用仍面临诸多挑战，如光生载流子复合速率高以及活性位点匮乏等，严重制约了其催化性能的提升 。为应对上述问题，本研究提出构建Cu-O-Ti非对称双位点策略。首先通过水热法和煅烧工艺将Cu单原子锚定在TiO₂上，形成的Cu-O-Ti结构，由于电子非对称性产生了由Cu指向Ti的内建电场。实验结果表明，Cu₁-Ti/TiO₂表现出卓越的性能，产氢速率高达1.91 mmol g^-1 h^-1，是原始TiO₂的63.67倍，在TiO₂基光催化剂中位居前列。进一步研究发现，内建电场有效促进了光生载流子的分离与迁移，使电子局域化在Cu 3d轨道上。同时，Ti位点作为H₂O吸附与解离的主要中心，而Cu位点优先介导H吸附和H₂形成，通过协同分工显著提升了光催化产氢的整体效率。本研究为基于工程化非对称双活性位点的高效光催化剂设计提供了新的思路。

2026年3月，Applied Surface Science杂志在线发表了重庆大学邹函君副教授团队和重庆邮电大学王阳博士团队在光催化析氢领域的最新研究成果。该工作报道了一种非对称 Cu-O-Ti 双活性位点用于高效光催化产氢。论文第一作者为：邹函君副教授，论文共同通讯作者为：论文共同通讯作者为：王阳博士、李春雨博士和班朝刚博士。

太阳能驱动的水分解产氢提供了一种可持续的方法来缓解能源危机和环境问题。在众多半导体光催化剂中，二氧化钛（TiO₂）因其储量丰富、稳定性好等优点备受关注 。然而，单一TiO₂仍存在光生载流子复合严重和活性位点不足等问题。因此，开发兼具高效载流子分离与丰富活性位点的新型结构至关重要。构建非对称双位点为提升性能提供了新思路。通过将TiO₂的内在金属位点与外加单金属位点耦合，可以诱导电荷重新分布并产生内建电场，从而促进载流子分离。本研究选取非贵金属铜（Cu）与TiO₂构建Cu-O-Ti非对称双位点。研究表明，Cu的引入能够有效捕获电子，抑制载流子复合，并直接参与催化循环。此外，Cu与相邻Ti原子间的强电子耦合可增强界面电荷转移并改善反应动力学过程。

文章使用设备为：泊菲莱GAS1000 微量气体反应评价系统，该设备是基于泊菲莱科技多年对气密性玻璃反应系统的研发经验，为满足客户光催化实验需求而研发的实验设备。适用于有微量气体产生的催化反应，如光催化分解水、光催化CO₂还原反应等。

 

要点一：原子级分散的 Cu 单原子及局部配位环境表征

通过水热法和煅烧成功制备了Cu₁-Ti/TiO₂。AC-HAADF-STEM 图像显示Cu原子以孤立状态高度分散在TiO₂基底上。XAFS分析表明，Cu的吸收边介于Cu₂O和CuO之间，呈现部分正电性。FT-EXAFS谱图中仅在1.45 Å处出现Cu-O配位峰，而无Cu-Cu键峰，进一步证确证了Cu的原子级分散及Cu-O-Ti非对称双位点的成功构建。

图 1. (a)不同Cu负载量的Cu₁-Ti/TiO₂的XRD图谱和(b)拉曼光谱。(c) Cu₁-Ti/TiO₂的SEM、(d) TEM、(e) HR-TEM、(f) AC-HAADF-STEM和(g) EDS mapping图像。

图 2. (a, b) Cu₁-Ti/TiO₂及参考样品的Cu K边XANES光谱及红影区域的放大图。 (c)Cu₁-Ti/TiO₂及参考样品的FT-EXAFS χ(R)光谱。(d) Cu₁-Ti/TiO₂的k2χ(k)光谱及相应的拟合曲线。(e) Cu₁-Ti/TiO₂的Cu K边EXAFS结构拟合模型。(f–i) Cu₁-Ti/TiO₂、Cu箔、CuO和Cu₂O的WT-EXAFS光谱。

要点二：内建电场驱动的电荷定向迁移机理

原位XPS结合理论计算揭示了非对称位点处的电荷动力学。在黑暗中，电子从Cu向TiO₂转移，形成由Cu指向Ti的内建电场。在光照下，Ti 2p谱图向高结合能偏移，而Cu 2p谱图向低结合能偏移，表明光生电子由TiO₂顺着内建电场迁移并积聚在Cu单原子中心。飞秒瞬态吸收光谱（TA）进一步证实Cu位点作为高效的电子陷阱，加速了电荷分离。

图 3. (a) Cu₁-Ti/TiO₂和Ti/TiO₂的 Ti 2p、(b) O 1s和(c) Cu 2p的原位XPS谱图。(d) Cu₁-Ti/TiO₂中Cu-O-Ti非对称双活性位点的内建电场以及(e)光照下电荷转移的示意图。(f) Ti/TiO₂和Cu₁-Ti/TiO₂的紫外-可见漫反射光谱以及通过Tauc图(内插图)计算得到的带隙。(g-h) Mott-Schottky曲线、(i)电子能带结构和(j) Ti/TiO₂与Cu₁-Ti/TiO₂的载流子浓度(N_D)。

图 4. (a) Cu_N-Ti/TiO₂以及不同Cu负载量的Cu₁-Ti/TiO₂随时间变化的光催化产氢曲线。(b)不同催化剂在300 W氙灯下的对应光催化产氢速率。(c)各种TiO₂基催化剂的光催化产氢速率对比。(d) Cu₁-Ti/TiO₂光催化产氢的循环稳定性测试。

要点三：协同催化分工降低制氢能垒

DFT计算表明，H₂O优先在Ti位点吸附（能垒-0.97 eV）并解离。相比之下，Cu位点是更理想的H吸附和H₂形成中心，其H₂形成能垒仅为1.35 eV，远低于Ti位点的2.94 eV。H₂-TPD结果显示Cu₁-Ti/TiO₂的脱附峰向低温移动，证实Cu单原子增强了H₂的脱附。这种 Ti（产氢质子）与Cu（产氢气）的协同分工显著提升了光催化产氢活性 。

图 5. (a) Ti/TiO₂和Cu₁-Ti/TiO₂的稳态荧光光谱(PL)、(b)时间分辨荧光光谱 (TRPL)和(c)瞬态光电流响应。(d-e)在355 nm光激发下，Ti/TiO₂和Cu₁-Ti/TiO₂的瞬态吸收(TA)二维轮廓图。 (f-g) Ti/TiO₂和Cu₁-Ti/TiO₂在选定的泵浦-探测延迟时间下的归一化飞秒瞬态吸收光谱。(h-i)对应的归一化TA动力学曲线(在550至600 nm范围内积分)。

图 6. (a) Ti/TiO₂和(b)Cu₁-Ti/TiO₂的计算态密度(DOS)。(c) (b)中红框区域的放大图。(d) Cu₁-Ti/TiO₂的差分电荷密度和Bader电荷分析。(e)Ti/TiO₂在光照下产生光生电子的示意图。 (f)Cu₁-Ti/TiO₂在光照下产生光生电子及其在Cu 3d 带隙态局域化的示意图。(g) Cu₁-Ti/TiO₂中H₂分别在Ti和Cu位点上的吸附能及构型。(h)H₂O解离和(i)H₂形成在Ti/TiO₂与Cu₁-Ti/TiO₂上的计算能垒图。 (j) Ti/TiO₂和Cu₁-Ti/TiO₂的H₂-TPD谱图 。

综上所述，本研究通过在TiO₂纳米颗粒上锚定Cu单原子，成功构建了具有非对称双位点的Cu₁-Ti/TiO₂催化剂。该催化剂展现出卓越的性能，产氢速率达到1.91 mmol g^-1 h^-1，且具有良好的稳定性。机理研究显示，非对称Cu-O-Ti结构通过形成指向Ti的内建电场，驱动电子向Cu 3d轨道定向迁移，抑制了载流子复合。同时，Ti位点负责H₂O的吸附解离，Cu位点则显著降低了H₂形成的动力学能垒并促进脱附，两者协同优化了反应路径。本研究为高效太阳能制氢催化剂的工程化设计提供了重要参考。

邹函君，重庆大学分析测试中心，高级工程师。

邹函君高级工程师任职于重庆大学分析测试中心，具备丰富的X射线衍射仪、化学吸附仪等大型仪器的管理与维护经验，专注于光电催化材料制备、表征及性能研究。近五年已发表SCI及核心论文30余篇，其中以第一/通讯作者发表SCI论文7篇，获授权发明专利与实用新型专利各1项。获2021年中国分析测试协会科学技术奖一等奖（4/10）、2023年高校分析测试优秀青年人才三等奖（1/1）。

王阳，重庆邮电大学，讲师

王阳博士目前主要围绕集成纳电材料结构与性能间的构效关系，从事物质结构、反应动力学及其性能提升机制研究，并在功能材料水或气体吸附、包覆与修饰等耐候性能提升的实验表征与设计以及理论机理研究方面具备丰富的经验。近5年，以第一/共一/通讯作者身份已在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Nano Energy等国际知名期刊上发表SCI论文16篇。其中，ESI高被引论文3篇、热点论文2篇，他引3177次，H因子28。申请国家发明专利4项，获川渝科技学术大会一等奖（2021与2022年）、校自然科学优秀科技成果奖（2023年）等。

E-mail: yangwang@cqupt.edu.cn

Hanjun Zou, Yang Wang*, Chunyu Li*, Chaogang Ban* et al. Charge localization induced by asymmetric Cu-O-Ti dual sites on TiO₂ for enhanced photocatalytic hydrogen evolution. Applied Surface Science 2026, 733, 166657

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.166657

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