金属所在奥里维里斯相铁电材料光解水制氢研究方面取得进展

太阳能光催化分解水制氢是获取绿氢极具潜力的技术，其走向应用的关键是发展高效稳定的半导体光催化材料。铁电光催化材料（例如PbTiO₃、BiFeO₃、Na_0.5Bi_0.5TiO₃和Bi₃TiNbO₉）由于具有能够促进光生载流子分离的内建电场而广受关注。其中，Bi₃TiNbO₉是一种奥里维里斯（Aurivillius）型层状铁电光催化材料，具有沿a轴方向的退极化场，该内建电场源自(Bi₂O₂)²⁺层中的铋原子和(BiTiNbO₇)^2-中的氧原子发生偶极相互作用而产生晶格畸变。在退极化场驱动和层间扩散约束下，电子倾向于富集在{001}面，而空穴富集在{110}面，从而实现了光生电荷和反应位点的空间分离。然而，Bi₃TiNbO₉中产生的光生电子沿层间（c轴）传输的能垒较大，光生电荷分离不足，限制了该材料的光催化全分解水活性。 

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。

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图1 光生电荷转移行为。光生载流子沿ac面的转移示意图（Ps-铁电极化，E-额外的内建电场）：(a) Bi₃TiNbO₉，(b) Bi₃TiNbO₉-W。Bi₃TiNbO₉（青色点）和Bi₃TiNbO₉-W（紫色点）晶体的表面光电压光谱：(c) 稳态，(d) 瞬态。

图2 光催化全分解水的活性和稳定性。(a) 不同W掺杂浓度的Bi₃TiNbO₉-W的活性比较。光催化全分解水稳定性测试（λ≥300 nm）：(b) Bi₃TiNbO₉，(c) Bi₃TiNbO₉-W，(d) Bi₃TiNbO₉-W-PL（以钙钛矿层为截止面）。