单相层状铁电材料光驱动分解水产氢研究获进展

据中国科学技术大学同步辐射实验室网站报道：利用光催化技术将太阳能转化为化学能，是解决能源危机和环境污染的一种有前途的路径，光分解水成氢气和氧气是其中的一个思路。要提高光驱动分解水产生氢气和氧气的效率，有两个关键的过程需要能有效调控：一是要使光激发产生的电子和空穴能有效分离；二是要使产氢反应和产氧反应在空间能够上分离，从而有效避免水分解反应的逆反应（2H₂+ O₂→2H₂O）。实现这些目标的一个可行的策略是利用晶体表面工程，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表面，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。沿着这个方向已经有不少有意义的探索，遗憾的是之前所研究的材料，要么只具有产氢功能，要么只具有产氧功能，几乎没有利用单一半导体光催化剂能够同时具好产氢和产氧功能选择的报道，寻找相应的新材料就成为一个关键。

不同熔盐温度下制备的Bi₃TiNbO₉的SEM照片(左)及其性能(右)，右图f和g表明了产氢产氧的量与{001}/{110}比例的关系

近年来陆亚林课题组利用层状氧化物的结构和组成的丰富可调性，利用其所提出的原子层间嵌入技术，成功的把该材料体系拓展到铁电铁磁等多参量共存以及室温下耦合领域，发明了多种室温磁电耦合、交换偏置、铁磁绝缘等新材料。在这些广泛研究的基础上，如何把这类新材料应用到能源环境领域就成为一个自然的课题选择，例如，利用其中的铁电半导体特性，是非常有可能发展一种极具吸引力的光催化剂。这是因为：一、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，因此有可在单相光催化剂中实现高效、选择性地产氢和产氧；二、铁电体内的内置自发极化所产生的内建电场有可能极大地抑制光生电子空穴对的复合。第三，内建电场也将有可能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，这类新材料相对偏低的对称性使得使用简单的合成方法成为可能，因而就有可以获得不同的极性暴露面。

沿着这个思路，在前期充分的工作基础上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 19908; Nanotechnology, 2018, DOI:10.1088/1361-6528/aabdba），近日中国科学技术大学陆亚林课题组傅正平副教授采用改进的熔盐法和固态法合成了该层状材料体系中的一种层状铁电纳米片新材料Bi₃TiNbO₉，成功的选择制备了{001}和{110}暴露面，并巧妙的利用合成过程温度控制调控暴露面的比例。发现Bi₃TiNbO₉纳米片在光照下既能分解水产氢，也能产氧，最有意思的是发现通过温度调节{001}/{110}面的比例，可以实现有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具有指导意义，该文章发表在Nano Energy上（DOI：10.1016/j.nanoen.2018.05.001）。傅正平副教授和陆亚林教授为共同通讯作者，文章第一作者为殷小丰博士研究生。

这项工作得到国家自然科学基金资助(51627901)、国家重点研发计划(2016 YFA0401004、2017YFA0402904),量子通信与量子计算机重大项目安徽省引导性项目 (AHY100000)和中国科学院重大科技基础设施开放研究项目的资助。