实现快速水全分解反应的研究

近日，中国科学院教授、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿、研究员范峰滔在铁电材料光催化水分解研究中取得了新的进展。通过对铁电材料表面结构的精确调控，团队揭示了限制其水分解效率的重要因素，完成了表面量子效率的高效水全分解反应。(AQY)达到4.08%。《自然-通信》发表了相关成果。

光催化水分解制氢是将太阳能高效转化为化学能的核心技术，也是减少化石能量依赖、减少环境污染的有效途径。然而，在光催化反应过程中，光生电荷将经历许多消耗路径，如体相和表面复合，从飞秒时间尺度的形成到ms时间尺度的应用。这种电荷复合现象是制约太阳能转换效率提高的主要瓶颈之一。因此，如何高效地将光生电子和空穴分离出来，以提高催化性能，一直是这一领域亟待解决的核心问题。由于其非轴对称的结构，铁电在体相中具有驱动效果。

在这项工作中，研究人员系统地讨论了铁电材料光生电荷分离与催化活性不匹配的问题，以单类钛酸铅为研究模型的表面结构和电荷动力学特性。研究表明，PbTiO3正极化面存在Ti位置缺陷，作为电子捕捉中心，导致电荷复合，限制光催化效率。根据时间和空间识别光谱分析，SrTiO3的生长消除了与正极化面Ti缺陷相关的捕捉状态，减少了光生电子的捕捉和复合，使电子寿命从微秒量级延长到ms量级，从而达到反应水的有效参与。

这项工作为高效铁电光催化材料的设计提供了新的理论指导和基本思路。