【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部(DNL16)李燦院士，范峰滔研究員等在鐵電材料光催化水分解研究中取得新進展，團隊通過精準調(diào)控鐵電材料的表面結(jié)構(gòu)，揭示了限制其水分解效率的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)了高效水全分解反應(yīng)，表觀量子效率(AQY)達4.08%。
 

　　光催化水分解制氫是一種將太陽能高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵技術(shù)，同時也是減少化石能源依賴、緩解環(huán)境污染的重要途徑。然而，在光催化反應(yīng)過程中，光生電荷從飛秒時間尺度的生成到毫秒時間尺度的利用，會經(jīng)歷體相和表面復(fù)合等多重消耗路徑，這種電荷復(fù)合現(xiàn)象是制約太陽能轉(zhuǎn)換效率提升的主要瓶頸之一。因此，如何高效分離光生電子和空穴，以提升催化性能，始終是該領(lǐng)域亟待解決的核心問題。鐵電材料因其非中心對稱結(jié)構(gòu)，在體相存在退極化電場，可有效驅(qū)動光生電子和空穴向相反的極化表面分離，在電荷分離方面具有重要潛力。
 

　　本工作中，科研人員針對鐵電材料光生電荷分離與催化活性不匹配的問題，以單疇鈦酸鉛為研究模型，系統(tǒng)探討了其表面結(jié)構(gòu)及電荷動力學(xué)特性。研究揭示，PbTiO3正極化面存在Ti空位缺陷，這些缺陷作為電子捕獲中心，導(dǎo)致電荷復(fù)合并限制光催化效率?？臻g和時間分辨光譜分析表明，SrTiO3的生長消除了正極化面Ti缺陷相關(guān)的捕獲態(tài)，降低了光生電子的捕獲與復(fù)合，使電子壽命從微秒量級延長至毫秒量級，到達反應(yīng)活性位有效參與反應(yīng)，從而提升了水分解效率。該工作為設(shè)計高效鐵電光催化材料提供了新的理論指導(dǎo)和研究思路。
 

　　為突破電荷分離難題，李燦團隊聚焦電荷分離機制的研究，開發(fā)了光生電荷空間追蹤技術(shù)——表面光電壓成像光譜(Angew. Chem. Int. Ed.，2015)，系統(tǒng)研究了助催化劑(Nano Lett.，2017)、相結(jié)(J. Phy. Chem. Lett.，2017)、表面缺陷(Nano Lett.，2018)、不對稱光照(Nat. Energy，2018)、單疇鐵電材料(Adv.Mater.，2020)等多種條件下的電荷分離行為。此外，李燦團隊進一步發(fā)展了光生電荷全時空表征技術(shù)(Nature，2022)，首次實現(xiàn)了在全時空域?qū)馍姾煞蛛x過程的動態(tài)追蹤。在此基礎(chǔ)上，團隊在強電荷分離特性的鐵電材料中觀察到光催化水的全分解過程(Nat. Commun.，2022)，進一步驗證了鐵電材料在高效光催化水全分解領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)成果以“Unveiling Charge Utilization Mechanisms in Ferroelectric for Water Splitting”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的第一作者是DNL1600組群博士研究生張杰。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項目、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“能源電催化的動態(tài)解析與智能設(shè)計”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎等項目的資助。