基于田口正交设计的镍钛酸盐参数优化：用于微流控平台中的光催化二氧化碳还原

《Journal of Alloys and Compounds》：Taguchi Orthogonal Design-Based Parametric Tuning of Nickel Titanate for Photocatalytic CO2 Reduction in a Microfluidic Platform

NiTiO3光催化材料通过溶热法合成并利用Taguchi L9实验设计优化反应时间、合成温度和煅烧温度，获得2.4 eV带隙。实验表明煅烧温度600℃显著影响晶体相，合成时间6-12 h对带隙影响较小。经微流控系统测试，材料在-0.4 V电势下光电流稳定，OCP分析显示其为n型半导体，平带电位-1.17 eV vs NHE，在CO2还原为乙醇中表现高效。

　　

Yesica Tellez Garcia | Rodrigo Landa Munoz | Darshana Rajput | Raúl Olivera Flores | Ashok Adhikari | María de la Luz Olvera Amador | Susana Citlaly Gaucin Gutiérrez | Claramaría Rodríguez González | Luis Antonio Ortiz-Frade | Srinivas Godavarthi | J.A. Diaz-Real | Goldie Oza

墨西哥克雷塔罗州Pedro Escobedo市Sanfandila区Querétaro科技园区内的电化学研究与发展技术中心（CIDETEQ）

摘要

在本研究中，采用Taguchi L9实验设计合成了NiTiO₃，实验参数包括反应时间、合成温度和煅烧温度。通过Tauc图方法计算得到了材料的带隙值。研究结果表明，煅烧温度（600 oC）直接影响相的形成；合成时间也对材料性质产生影响，6小时、8小时和12小时的合成时间所得到的带隙值相似。在L-1至L-9的9种实验参数组合中，L-7组的合成条件得到了理想的半导体相，该纳米材料进一步被用于制备工作电极以探究其光电化学性质。通过计时安培法（chronoamperometry, CA）测量了-0.2、-0.4、-0.6和-0.8 V下的光电流密度（j），发现-0.4 V时光电流密度最稳定。开路电位（OCP）分析表明NiTiO₃在可见光下稳定，属于n型材料。Mott-Schottky分析确定了其在碱性介质（0.1 M NaOH）中的平带电位（约为-1.17 eV相对于NHE）。最后，在连续流动微流控系统中以50 μL/min的流速进行了光催化性能测试，乙醇作为CO₂的还原剂。

章节摘要

引言

二氧化碳（CO₂）主要来源于人类活动，是导致全球变暖的主要温室气体。将其转化为能源和化学品是一种可持续能源策略[1]。为降低CO₂浓度，人们开发了多种方法，如捕获和还原技术[2]。近年来，CO₂的光催化还原作为一种可持续方法受到重视，旨在将其转化为高价值产品。

光催化剂的合成与表征

半导体材料NiTiO₃通过溶热法合成，随后经过煅烧处理。通过改变反应时间、合成温度和煅烧温度等参数，获得了所需的双菱形相。具体步骤为：将1.88 g六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂.6H₂O与20 mL乙醇混合（溶液1）；再加入2.2 mL二氧化钛（Ti(OCH₂CH₂CH₂CH₃)₄制备溶液2。

NiTiO₃合成的Taguchi优化

正交Taguchi L9实验设计参数见表4。实验中以带隙值作为响应指标。图1a展示了样品的漫反射光谱；通过Tauc图（图1b）分析E_g值，并将线性区域外推至横坐标轴。最低E_g值出现在L-1、L-6和L-8组实验中，这些实验对应的加热温度最低。

结论

本研究采用溶热法和Taguchi L9实验设计合成了NiTiO₃，确定了最佳合成参数。所得材料为纯晶体，带隙为2.4 eV（NT-7），能在可见光范围内吸收光。在微流控装置中测试发现，NT7-5-50组实验（薄膜厚度2454.075 nm）具有光催化性能。

CRediT作者贡献声明

Luis Antonio Ortiz-Frade：撰写、审稿与编辑、验证、监督工作。Rodríguez Gonzáles Claramaria：软件开发、数据分析。Susana Citlaly Gaucin Gutiérrez：软件开发、数据分析。María de la Luz Olvera Amador：软件开发、数据分析。Téllez García Yesica：撰写初稿、方法设计、实验研究、概念构建。J.A. Diaz-Real：撰写、审稿与编辑、验证、资金筹集。Srinivas Godavarthi：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人利益：Goldie Oza获得了电化学研究与发展技术中心的资金支持、实验设备、试剂及差旅费用；Jesus Adrian Diaz Real同样获得了该中心的资金支持、设备、试剂及差旅费用。

致谢

感谢CONAHCYT通过Ciencia de Fronteras项目（CF19-2096029、CF19-2095605、CF-2023-G-1177）、UC-Mexus 2020项目（CN-20-174）以及国家实验室项目（LABMyN LN-2025-C-110）提供的资金支持。同时感谢César del ángel Coello Mauleon在拉曼光谱测量和XPS光谱反卷积分析中的宝贵帮助。