Among particulate photocatalysts, particulate TiO2 has been used for long time as hydrogen evolution catalyst under UV light. For practical application, however, using solar light instead of UV is highly desirable, which often results in sluggish H2 production ´with TiO2. Intrinsically, low solar photocatalytic activity of TiO2 can be tackled either with doping or nanostructuring, thus improving the solar light harvesting or charge carrier dynamics. Here, doping and nanostructuring principles in design of efficient solar TiO2 catalysts are studied on self-doped TiO2 and rutile needle catalysts. The catalysts were in-depth characterized in terms of crystal and electronic structure, and photocatalytic activity was studied in solar H2 production. When solar H2 production performance is compared, the rutile needles were 30 times as active as the self-doped TiO2 catalyst. Also, rutile needle catalyst performed 3 and 4.5 times better comparing with nanoparticulate TiO2 P25 and rutile TiO2 benchmarks, respectively. The correlation of structure and activity in self-doped TiO2 and rutile needle catalysts reveals that charge carrier dynamic is primary determinant of solar H2 production. Thus, well-structured defect-free TiO2 catalysts that separate photogenerated electrons and holes efficiently are good candidates for H2 production under solar light.
Unter den partikelförmigen Photokatalysatoren wird seit langem partikelförmiges TiO2 als Katalysator für die Wasserstoffentwicklung unter UV-Licht verwendet. Für die praktische Anwendung ist jedoch die Verwendung von Sonnenlicht anstelle von UV sehr wünschenswert, was oft zu einer langsamen H2-Produktion mit TiO2 führt. Die geringe solare photokatalytische Aktivität von TiO2 kann an entweder durch Dotierung oder Nanostrukturierung angegangen werden, wodurch die Sonnenlichternte oder die Ladungsträgerdynamik verbessert werden. Hier werden Dotierungs- und Nanostrukturierungsprinzipien beim Design effizienter Solar-TiO2-Katalysatoren an selbstdotierten TiO2- und Rutil-Nadelkatalysatoren untersucht. Die Katalysatoren wurden hinsichtlich ihrer Kristall- und elektronischen Struktur eingehend charakterisiert, und die photokatalytische Aktivität wurde in der solaren H2-Produktion untersucht. Beim Vergleich der solaren H2-Produktionsleistung waren die Rutilnadeln 30-mal so aktiv wie der selbstdotierte TiO2-Katalysator. Außerdem schneidet der Rutil-Nadelkatalysator 3- bzw. 4,5-mal besser ab im Vergleich zu nanopartikulären TiO2 P25- bzw. Rutil-TiO2-Benchmarks. Die Korrelation von Struktur und Aktivität in selbstdotierten TiO2- und Rutil-Nadelkatalysatoren zeigt, dass die Ladungsträgerdynamik die primäre Determinante der solaren H2-Produktion ist. Daher sind gut strukturierte defektfreie TiO2-Katalysatoren, die photogenerierte Elektronen und Löcher effizient trennen, gute Kandidaten für die H2-Produktion unter Sonnenlicht.