铁电光催化纳米粒子电荷分离成像研究学术资讯

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注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

铁电半导体材料具有可翻转的自发极化，因而在数据存储、传感器等方面具有重要作用。近年来，铁电在光电转换方面表现出色，不仅具有超过其带隙的开压，还发现其光电转化效率超过100 %，超过了Shockley–Queisser极限。此外，铁电半导体材料在光催化中也有初步应用。近日，中科院大连化物所李灿院士、范峰滔研究员等人在利用自主研制的表面光电压成像研究铁电半导体光催化剂微纳米尺度电荷分离过程方面取得新进展，提出体电场分离光生电荷新机制。
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。铁电半导体材料不同于普通半导体，其具有自发极化而产生铁电电场。尽管铁电材料内部电场的理论值高达105 kV/cm，但是在实际光催化过程中的效率却很低，研究铁电光催化剂的电荷分离机制具有重要意义。

在本研究中，利用表面光电压成像探讨了PbTiO3单畴铁电光催化颗粒中铁电场在光生电荷分离方面的作用机制。研究表面，不同于传统意义上的表面极化模型，铁电自发极化引起的退极化体电场是光生电荷分离的主要驱动力，决定电荷分离效率。在单畴的铁电钛酸铅颗粒中，光生电子和空穴可以直接将电子和空穴分别分离到两个对称的{001}晶面上，而且电荷分离能力和光催化活性都随着粒子沿极化方向的厚度的增加而增加。而对于表面能带弯曲，在大于一定空间电荷层厚度后，其对于电荷分离的贡献应为定值。这说明，铁电材料内部的退极化场对电荷分离有贡献。进一步的测试和计算表面，退极化场是电荷分离的主要驱动力，在一定尺寸范围内为一定值，其大小约为3.6 kV/cm，远小于其理论值。这表明退极化场被部分屏蔽，屏蔽场会阻碍电荷分离。提高铁电材料电荷分离的关键因素在于提高退极化场强度和减小屏蔽场。该工作对铁电光催化在微纳尺度上的设计和提高电荷分离研究方面具有重要意义。

相关结果发表在Advanced Materials 期刊上，文章的第一作者是博士研究生刘永。（文/图刘永）

原文：Internal‐Field‐Enhanced Charge Separation in a Single‐Domain Ferroelectric PbTiO3 Photocatalyst

Yong Liu, Sheng Ye, Huichen Xie, Jian Zhu, Quan Shi, Na Ta, Ruotian Chen, Yuying Gao, Hongyu An, Wei Nie, Huanwang Jing, Fengtao Fan, Can Li

Adv. Mater., 2020, 32, 1906513, DOI: 10.1002/adma.201906513

李灿院士简介

李灿，中国科学院大连化学物理研究所研究员、SABIC Chair Professor, 中国科学技术大学化学与材料科学学院院长。2003年当选中国科学院院士，2005年第三世界科学院院士，2008年欧洲人文和自然科学院外籍院士。洁净能源国家实验室（筹）主任，中国化学会催化委员会主任，曾任催化基础国家重点实验室主任、国际催化学会理事会主席（2008-2012）等。主要从事催化材料、催化反应、催化光谱表征及太阳能转化和利用科学研究，在国际上率先提出双助催化剂策略、发现半导体相结电荷分离机制、实验上第一次确认了晶面间光生电荷分离效应、成功实现了自然光合与人工光合体系的杂化等，光催化制氢量子效率保持世界纪录、光电催化分解水的效率引领世界水平，研究工作多次被美国C&EN 等国际新闻刊物和基金委内参报道。研究成果在Chinese J. Catalysis、J. Phys. Chem.、ACS Catalysis、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.、Angew Chem.、JACS、Nature Comm.、Nature Energy和Nature Catalysis等与人工光合成相关的光催化、光电催化重要刊物发表，仅在太阳能科学利用领域发表论文200余篇，他引超过25000余次；入选全球Highly Cited Researchers, 授权发明专利20余件。受邀出席美国、日本、法国和德国等国家的清洁能源战略会议、受邀多次在高登会议（GRC）、东京先进催化科学与技术（TOCAT）会议上就人工光合成研究作大会和主旨报告，在美国、德国、波兰、新加坡、韩国、加拿大等国家的催化、光催化和光电催化大会议上作大会特邀可主体报告（Plenary & Keynote Lecture）70余次，被当选2020年度太阳燃料高登会议主席。部分奖励包括中国青年科学家奖（1993），香港求是科技基金杰出青年学者奖（1997），中国杰出青年科学家奖（1998年），国家科技发明二等奖（1999），国家自然科学二等奖（2011），国际催化奖（2004，国际催化领域的最高荣誉，每四年一次，每次一人），中国科学院杰出科技成就奖（2005），何梁何利科学技术进步奖（2005年），中国催化成就奖（2014），日本光化学奖（2017），与日本著名光催化科学家K. Domen共同分享亚太催化成就奖（2019）等。
李灿https://www.x-mol.com/university/faculty/26747课题组网站http://canli.dicp.ac.cn/

范峰滔研究员简介

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，太阳能部光电催化成像表征研究组组长。2008、2012年两次荣获国际催化理事会35岁以下“青年科学家奖”，2010年作为优秀毕业生破格被评大连化学物理研究所“百人计划”资助。2012年获首届化学会催化委员会颁发的“催化新秀奖”，2016年获聘大连化物所张大煜青年学者，2018年获聘大连化物所张大煜优秀学者、首席研究员，2019年入选国家“万人计划”青年拔尖人才。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，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，该仪器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.等发表论文80余篇，先后被邀在英国皇家学会的Faraday Discussion和美国Gordon Research Conference等国际学术会议上作主旨报告，作为主要研究人员获得国家自然科学二等奖，中石化前瞻性基础性科学贡献奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/44786
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？A：如上所述，我们的研究兴趣是探索铁电光催化剂的电荷分离机制。铁电半导体材料具有很特殊的晶体结构，具有自发极化，在很多领域都表现出了优异的性能。但是在光催化中的应用还处于初步阶段，特别是在微纳尺度对其中电荷分离机制的研究还是很少。虽然理论上铁电半导体作为光催化剂会具有很好的电荷分离效率，但是实际应用中的表现却差强人意。而且由于铁电材料本身比较复杂，因此对其的研究也非常具有挑战性，对于铁电光催化剂的电荷分离的研究少之甚少。我们希望深入的研究铁电光催化剂中的电荷分离机制，为进一步设计高效的铁电光催化剂提供研究思路。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？A：本项研究中最大的挑战是将研究模型化。虽然这篇研究中研究的主要是铁电光催化剂，但是其机理上涉及到很多铁电物理方面的背景知识，将机理阐述的更加清晰简单，并且对铁电光催化具有实际的指导意义就很具有挑战性。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？A：我们的实验结果很直观地告诉我们铁电光催化剂并不是越小越好，为了保证有效电荷分离，需要空间和距离。这也给我们很多启发，在设计其他光催化剂时，并不是一味的追求纳米材料就可以性能更好，光催化活性更高。在光催化过程中，电荷分离是最关键的一步，因此我们需要考虑实际光催化体系中电荷分离的问题，构筑有效的内建电场，从根本上提高光催化活性。

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