單相層狀鐵電材料光驅動分解水產氫研究獲進展

據中國科學技術大學同步輻射實驗室網站報道：利(li)用(yong)光(guang)催(cui)化(hua)技(ji)術(shu)將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)化(hua)學(xue)能(neng)
，是(shi)解(jie)決(jue)能(neng)源(yuan)危(wei)機(ji)和(he)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)的(de)一(yi)種(zhong)有(you)前(qian)途(tu)的(de)路(lu)徑(jing)，光(guang)分(fen)解(jie)水(shui)成(cheng)氫(qing)氣(qi)和(he)氧(yang)氣(qi)是(shi)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)思(si)路(lu)。要(yao)提(ti)高(gao)光(guang)驅(qu)動(dong)分(fen)解(jie)水(shui)產(chan)生(sheng)氫(qing)氣(qi)和(he)氧(yang)氣(qi)的(de)效(xiao)率(lv)，有(you)兩(liang)個(ge)關(guan)鍵(jian)的(de)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)能(neng)有(you)效(xiao)調(tiao)控(kong)：一是要使光激發產生的電子和空穴能有效分離；二是要使產氫反應和產氧反應在空間能夠上分離，從而有效避免水分解反應的逆反應（2H₂+ O₂→2H₂O）。實(shi)現(xian)這(zhe)些(xie)目(mu)標(biao)的(de)一(yi)個(ge)可(ke)行(xing)的(de)策(ce)略(lve)是(shi)利(li)用(yong)晶(jing)體(ti)表(biao)麵(mian)工(gong)程(cheng)
，即(ji)采(cai)用(yong)合(he)適(shi)的(de)合(he)成(cheng)方(fang)法(fa)製(zhi)備(bei)出(chu)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)極(ji)性(xing)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)催(cui)化(hua)表(biao)麵(mian)，電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)傾(qing)向(xiang)於(yu)遷(qian)移(yi)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)暴(bao)露(lu)麵(mian)

，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)有(you)效(xiao)的(de)空(kong)間(jian)分(fen)離(li)。沿(yan)著(zhe)這(zhe)個(ge)方(fang)向(xiang)已(yi)經(jing)有(you)不(bu)少(shao)有(you)意(yi)義(yi)的(de)探(tan)索(suo)，遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)之(zhi)前(qian)所(suo)研(yan)究(jiu)的(de)材(cai)料(liao)，要(yao)麼(me)隻(zhi)具(ju)有(you)產(chan)氫(qing)功(gong)能(neng)
，要(yao)麼(me)隻(zhi)具(ju)有(you)產(chan)氧(yang)功(gong)能(neng)
，幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)利(li)用(yong)單(dan)一(yi)半(ban)導(dao)體(ti)光(guang)催(cui)化(hua)劑(ji)能(neng)夠(gou)同(tong)時(shi)具(ju)好(hao)產(chan)氫(qing)和(he)產(chan)氧(yang)功(gong)能(neng)選(xuan)擇(ze)的(de)報(bao)道(dao)，尋(xun)找(zhao)相(xiang)應(ying)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)就(jiu)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)。

不同熔鹽溫度下製備的Bi₃TiNbO₉的SEM照片(左)及其性能(右)
，右圖f和g表明了產氫產氧的量與{001}/{110}比例的關係

近(jin)年(nian)來(lai)陸(lu)亞(ya)林(lin)課(ke)題(ti)組(zu)利(li)用(yong)層(ceng)狀(zhuang)氧(yang)化(hua)物(wu)的(de)結(jie)構(gou)和(he)組(zu)成(cheng)的(de)豐(feng)富(fu)可(ke)調(tiao)性(xing)，利(li)用(yong)其(qi)所(suo)提(ti)出(chu)的(de)原(yuan)子(zi)層(ceng)間(jian)嵌(qian)入(ru)技(ji)術(shu)
，成(cheng)功(gong)的(de)把(ba)該(gai)材(cai)料(liao)體(ti)係(xi)拓(tuo)展(zhan)到(dao)鐵(tie)電(dian)鐵(tie)磁(ci)等(deng)多(duo)參(can)量(liang)共(gong)存(cun)以(yi)及(ji)室(shi)溫(wen)下(xia)耦(ou)合(he)領(ling)域(yu)

，發(fa)明(ming)了(le)多(duo)種(zhong)室(shi)溫(wen)磁(ci)電(dian)耦(ou)合(he)
、交換偏置
、tiecijueyuandengxincailiao。zaizhexieguangfanyanjiudejichushang，ruhebazheleixincailiaoyingyongdaonengyuanhuanjinglingyujiuchengweiyigezirandeketixuanze，liru
，liyongqizhongdetiedianbandaotitexing，shifeichangyoukenengfazhanyizhongjijuxiyinlideguangcuihuaji。zheshiyinwei：一、內極化可能會有效降低產氫和產氧反應對光催化劑能帶結構的要求

，因此有可在單相光催化劑中實現高效、選擇性地產氫和產氧
；二、tiediantineideneizhizifajihuasuochanshengdeneijiandianchangyoukenengjidadiyizhiguangshengdianzikongxueduidefuhe。disan
，neijiandianchangyejiangyoukenengyindaoguangshengdianzikongxueqianyidaobutongdebiaomian，congeryizhishuifenjiedenifanying

；最後，這類新材料相對偏低的對稱性使得使用簡單的合成方法成為可能，因而就有可以獲得不同的極性暴露麵。

沿著這個思路，在前期充分的工作基礎上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 19908; Nanotechnology, 2018, DOI:10.1088/1361-6528/aabdba），近日中國科學技術大學陸亞林課題組傅正平副教授采用改進的熔鹽法和固態法合成了該層狀材料體係中的一種層狀鐵電納米片新材料Bi₃TiNbO₉，成功的選擇製備了{001}和{110}暴露麵，並巧妙的利用合成過程溫度控製調控暴露麵的比例。發現Bi₃TiNbO₉納米片在光照下既能分解水產氫，也能產氧
，最有意思的是發現通過溫度調節{001}/{110}麵的比例，可以實現有選擇性地優化產氫或產氧。{001}暴露麵比例最高的樣品具有最好的產氫能力(342.6μmol h⁻¹g⁻¹)
，而{110}暴露麵比例最高的樣品具有最好的產氧性能(275.2μmol h⁻¹g⁻¹)
，表明{001}麵為產氫活性麵
，而{110}為產氧活性麵。本研究對類似的光催化劑中合理設計並高效產氫或產氧具有指導意義，該文章發表在Nano Energy上（DOI：10.1016/j.nanoen.2018.05.001）。傅正平副教授和陸亞林教授為共同通訊作者，文章第一作者為殷小豐博士研究生。

這項工作得到國家自然科學基金資助(51627901)、國家重點研發計劃(2016 YFA0401004
、2017YFA0402904),量子通信與量子計算機重大項目安徽省引導性項目 (AHY100000)和中國科學院重大科技基礎設施開放研究項目的資助。