李灿院士、范峰滔研究员揭示铁电光催化反应的新机制

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近日，我所太阳能研究部（DNL16）李灿院士、范峰滔研究员等通过构筑双极性电荷收集结构，促进了铁电光催化全分解水，并揭示了铁电光催化反应的新机制。
　　在光催化过程中，提高太阳能转化效率的核心问题是提高光生电子和空穴的分离效率，构筑内建电场是提高电荷分离的有效手段。由于自发的不对称电荷分离和高于带隙光电压的特性，铁电半导体材料被认为是太阳能光催化燃料生产的理想材料之一。在前期工作中（Adv. Mater.，2020），该团队以单畴铁电粒子为模型，研究了其中的电荷分离机制，发现自发极化引起的退极化场是其电荷分离的主要驱动力，这个电场贯穿整个单畴粒子，场强高达3.6kV/cm，是其他常见电场的数倍。然而，铁电光催化剂受限于表面电荷提取的瓶颈问题，很难实现水的完全分解，光催化转换效率远低于理论预期。

　　本研究提出了一种在铁电半导体的正、负畴区构筑电荷收集纳米结构的方法，通过高效收集和利用光生电子和空穴，实现了铁电光催化剂的全分解水反应。本研究观察到光生电子和空穴分别在正、负极化Au/BaTiO3界面处聚集的现象，其空间电荷层宽度取决于BaTiO3光生载流子的热能化长度（~50 nm）。团队在铁电半导体正、负极化畴区构筑微纳金属阵列结构，进一步组装还原和氧化助催化剂后，发现Au/BaTiO3铁电光催化剂可以实现光催化全分解水反应，即使在单晶材料上仍能表现出可观的催化活性。该结果为高效利用铁电材料中高能光生电荷、实现高效太阳能转换提供了新的思路和方法。
　　相关成果以“Bipolar Charge Collecting Structure Enables Overall Water Splitting on Ferroelectric Photocatalysts”为题，于近日发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所503组博士后刘永。该工作得到国家自然科学基金、基金委“人工光合成”基础科学中心项目、中科院基础研究领域青年团队计划、我所创新基金等项目的资助。（文/图 范峰滔、刘永）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32002-y


      文献来源：大连化物所
      李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。
      范峰滔，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，国家“万人计划”青年拔尖人才，催化基础国家重点实验室副主任。主要从事（光）催化剂及（光）催化反应过程的原位、动态先进成像技术的表征研究，在国际上开创了紫外拉曼高温高压条件下研究分子筛合成机理的先河；发展了空间分辨的表面光电压成像方法并在国际上最早将其应用到微纳尺度光催化材料电荷分离的成像研究中。面向国家重大需求，从事深海资源探测的现场光谱仪研发工作，曾在马里亚纳海沟实现7449米的紫外拉曼探测世界记录。已在国内外核心刊物Nature Energy、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.等发表论文70余篇，多次应邀在Faraday Discussion，高登会议等国际重要学术会议上报告工作，作为主要研究人员获得国家自然科学二等奖。