鐵電材料因其獨特的結構和電學性質，能夠在光催化反應中有效促進電荷分離，這對于提高光催化效率至關重要。然而，盡管理論上鐵電材料（如鈦酸鉛PbTiO3 ）具有極高的電場驅動力，實際應用中它們的水分解效率仍然較低。研究指出，鐵電材料表面缺陷，特別是Ti位點的缺陷，阻礙了光生電子的有效轉移，從而限制了其催化性能。因此，改善這些缺陷、提高光生電子的遷移效率是提高鐵電材料光催化活性的重要方向。 基于此， 中國科學院大連化物所李燦院士與范峰滔研究員等人 通過在鐵電材料PbTiO 3 （PTO）表面選擇性地生長SrTiO 3 （STO）納米層，可以有效減少Ti位點缺陷，并構建一個更高效的電子傳輸通道，進而顯著提升其光催化水分解效率。 該研究以“Unveiling charge utilization mechanisms in ferroelectric for water splitting”為題，發表在《Nature Communications》期刊上。
李燦 ，物理化學家，中國科學院院士、第三世界科學院院士，中國科學院大連化學物理研究所研究員、博士生導師。 主要從事催化材料、催化反應和催化光譜表征方面的研究，包括綠色催化研究和燃料油超深度脫硫等環境催化研究； 多相手性催化研究； DNA催化研究以及紫外拉曼光譜表征研究等。 從2001年起，致力于太陽能轉化和利用科學研究，包括太陽能光（電）催化分解水、二氧化碳還原等人工光合成研究和新型太陽電池探索研究等。 先后在國際上提出了異相結、雙功能助催化劑和晶面間促進光生電荷分離的新概念，在光電催化領域，提出了助催化劑、空穴儲存層、界面態能級調控等重要策略，為高效太陽能轉化體系構筑提供了科學基礎。 2020年主持完成全球首個直接太陽能液態陽光甲醇規模化工業示范工程，為實現碳中和提供了一個切實可行的技術路徑。 。
范峰滔 ，中國科學院大連化學物理研究所研究員，國家杰出青年基金獲得者，英國皇家化學會會士，入選“萬人計劃”青年拔尖人才支持計劃。 2003年在山西大學獲學士學位，2010在中國科學院大連化學物理研究所獲得博士學位（導師:李燦）。 長期從事催化劑及反應過程的原位、動態先進成像表征研究，尤其針對高效光催化分解水的重大挑戰——電荷分離的瓶頸問題，發展了空間分辨的表面光電壓成像新方法，并將其應用于光催化材料電荷分離的成像研究，揭示了內建電場重排、不對稱光照、缺陷分布以及助催化劑組裝等引起的復雜電荷分離機制與光催化分解水之間的本質關聯； 通過發展“時空接力相機”實現光生電荷轉移過程的全時空動態追蹤，“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖，為進一步診斷和突破光解水的瓶頸問題提供重要解決手段； 研究工作在國內外相關領域產生重要影響，在 Nature, Nature Energy, Nature Comm., Natl. Sci. Rev., Angew Chem., Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res. 等核心刊物發表學術論文。
1、表面缺陷的關鍵作用： 研究首次深入探討了鐵電PbTiO3 （PTO）材料中表面鈦位點缺陷對光催化水分解性能的負面影響。這些表面缺陷會捕獲光生電子，導致電子復合，限制了其光催化效率。 2、STO納米層的表面修飾： 通過在PTO的正極性表面生長SrTiO3 （STO）納米層，成功減少了Ti缺陷并改善了電子的遷移路徑。這一策略顯著提高了光生電子的壽命，從50微秒延長至毫秒級，為水分解反應提供了更多的電子參與。 3、顯著提升光催化效率： 經過STO修飾的PTO表現出顯著增強的光催化水分解活性，在365 nm波長下的表觀量子產率（AQY）達到4.08 %，這是目前鐵電光催化材料中報道的最高值。 圖1展示了單疇PTO顆粒的制備和表征結果。通過HR-STEM可以確認顆粒的單疇結構，PFM幅度和相位圖進一步表明顆粒的單疇特性。滯回回線圖驗證了PTO顆粒的鐵電性，而放大后的相位圖確認了顆粒內部沒有疇壁，所有的極化方向一致。所有這些表征數據共同支持了PTO顆粒是單疇結構，并且具有良好的鐵電性能，這對于提高光催化性能至關重要。 圖2揭示了PbTiO3 （PTO）材料在正極性表面附近的結構特征，顯示了表面區域存在的畸變和晶體結構的變化。STEM和EELS結果表明，PTO的表面區域由于鈦原子位移而發生了畸變，這些缺陷可能是光催化性能較差的原因之一。表面區域的畸變導致了晶體對稱性下降，進而影響了電荷的分離和傳輸過程。 圖3 STO在PTO上的選擇性生長及電荷分離圖像研究 圖3通過SEM、STEM、光還原沉積、光氧化沉積以及SPV測量等多種技術詳細展示了STO在PTO上的選擇性生長和對電荷分離的影響。STO在PTO非極性表面的選擇性生長修復了PTO表面的缺陷，并促進了光生電子和空穴的有效分離。SPV測試結果表明，STO層的生長有助于優化電荷分離路徑，提高光催化性能。 圖4揭示了STO生長后PTO表面結構的變化。TOF-SIMS和EELS數據表明，STO的生長有效減少了PTO表面的Ti缺陷，改善了表面的結構。EELS圖譜顯示，在PTO表面，由于缺陷和畸變，t2g 和eg 軌道之間的分裂較小，而在STO生長后，表面表現出類似于STO的更大軌道分裂，表明表面缺陷得到了修復，結構變得更加有序，這對于提升電荷分離和光催化性能至關重要。 圖5展示了通過STO納米層修飾PTO材料后，其在整體水分解反應中的活性表現。通過STO生長優化，水分解反應的氫氣和氧氣產量大幅提升。STO的最佳生長時間和厚度對于水分解活性至關重要，過厚的STO層可能會導致效率下降。STO生長時間的優化能夠最大化水分解效率，且STO生長的最佳厚度對催化活性至關重要。 圖6展示了STO修飾對PTO電荷轉移動力學的顯著影響。PTO樣品中的Ti缺陷會導致光生電子被捕獲并復合，降低了催化活性。而在PTO-STO樣品中，STO層修復了PTO表面的缺陷，促進了電子和空穴的分離，延長了電子壽命，有效提升了水分解反應的效率。 本研究為理解表面缺陷對鐵電材料電荷分離和轉移至表面催化位點的影響提供了全面的認識。研究結果強調了控制鐵電材料表面缺陷以提高其光催化性能的重要性。尤其是在通過界面修飾提升材料性能方面，使用STO納米層消除鈦缺陷并改善電荷轉移路徑，這一方法在開發高效光催化劑用于水分解及其他太陽能驅動反應方面具有重要潛力。 Unveiling charge utilization mechanisms in ferroelectric for water splitting. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56359-y
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