中国科学技术大学材料科学与工程系陆亚林

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中国科学技术大学Nano energy：铁电Bi3TiNbO9纳米片上实现选择性光催化分解水产氢或产氧

利用光催化技术将太阳能转化为化学能，是解决全球能源和环境危机的一种很有前途的方法。要提高光驱动分解水产生氢气和氧气的效率，有两个关键的过程，一是光激发产生的电子和空穴能有效分离，另外产氢反应和产氧反应需要在空间上分离，从而避免水分解反应的逆反应2 H2+ O2→2H2O。实现这些目标的一个很好的策略是晶体表面工程，即采用合适的合成方法制备出具有不同极性的半导体催化剂。电子和空穴倾向于迁移到不同的暴露面，从而实现有效的空间分离。之前所研究的材料，要么只具有产氢功能，要么只具有产氧功能，很少有单一半导体光催化剂能兼具好的产氢和产氧功能。铁电半导体是极具吸引力的一种光催化剂。首先，内极化可能会有效降低产氢和产氧反应对光催化剂能带结构的要求，因此可在单相光催化剂中实现高效、选择性的产氢和产氧。其次，铁电体自发极化产生的内建电场可极大地抑制光生电子空穴对的复合。第三，内建电场将引导光生电子空穴迁移到不同的表面，从而抑制水分解的逆反应。最后，铁电体的低对称性使得用简单的合成方法，就可以获得不同的极性暴露面。

近日，中国科学技术大学陆亚林课题组 采用改进熔盐法和固态法合成了一种层状铁电材料Bi3TiNbO9。用改进熔盐法合成的纳米薄片的暴露面是{001}和{110}，暴露面的比例可通过改变合成温度进行调节。Bi3TiNbO9纳米片在光照下既能分解水产氢，也能产氧，通过调节{001}/{110}面的比例，可以选择性地优化产氢或产氧。{001}暴露面比例最高的样品具有最好的产氢能力(342.6μmol h−1g−1)，而{110}暴露面比例最高的样品具有最好的产氧性能(275.2μmol h−1g−1)，表明{001}面为产氢活性面，而{110}为产氧活性面。本研究对类似的光催化剂中合理设计并高效产氢或产氧生具有指导意义。陆亚林教授和傅正平副教授为共同通讯作者，文章第一作者为殷小丰博士。该文章发表在国际顶级期刊Nano Energy上（影响因子：12.343）。