镧掺杂钛酸钡同轴纳米棒阵列的结构设计与光电化学性能增强机制研究

针对光催化剂中光生电子-空穴对复合率高的问题，研究人员通过溶胶-凝胶法和浸渍涂层法构建了TiO2/Ba1-xLaxTiO3同轴纳米棒阵列。研究发现6% La3+掺杂使压电系数d33达53 pm/V，正极化条件下光电流密度提升6.9倍，为铁电光催化剂设计提供了新思路。

　　

随着印染废水与抗生素污染加剧，开发高效光催化技术成为研究热点。传统TiO₂光催化剂虽具成本优势，却受限于3.2 eV宽禁带与高载流子复合率。铁电材料因其自发极化特性可构建内建电场，其中钛酸钡(BaTiO₃)的钙钛矿结构通过Ti⁴⁺-O^2-偶极矩排列产生极化电场，但存在极化强度不足的瓶颈。内蒙古自治区某研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过离子掺杂与外场极化协同策略，设计出具有显著增强光电化学性能的镧掺杂钛酸钡同轴纳米棒阵列。

研究采用水热法结合原位反应，以TiO₂纳米棒阵列为模板，通过溶胶-凝胶和浸渍涂层技术制备TiO₂/Ba_0.94La_0.06TiO₃/TiO₂三层结构。关键实验技术包括：X射线衍射表征晶体结构，扫描电镜观察形貌，压电力显微镜测量压电系数，电化学工作站测试光电流响应，以及超声极化处理调控铁电畴取向。

Results and Discussion部分显示：

1. 形貌分析证实成功制备平均长度500 nm、直径75 nm的垂直阵列，La³⁺掺杂引起晶格畸变使纳米棒表面粗糙度增加。
2. 压电测试表明6% La掺杂使d₃₃系数提升至53 pm/V，优于未掺杂样品。
3. 光电测试显示三层结构光电流密度达TiO₂/TiO₂的8.7倍，3V正极化条件下再提升6.9倍，超声极化后额外增加2.2倍。
4. 电化学阻抗谱证实掺杂样品电荷转移电阻显著降低，归因于La³⁺引入的氧空位促进载流子迁移。

Conclusions指出：该工作通过离子掺杂与外场极化双重调控，使钛酸钡基纳米棒阵列的光电流密度实现数量级提升。La³⁺掺杂不仅引起晶格畸变增强偶极矩，还通过优化表面电荷分布降低载流子复合率。研究为设计具有定向极化增强效应的铁电光催化剂提供了普适性策略，在污水处理、光解水等领域具有应用潜力。论文通讯作者Qingshan Lu强调，该方法可拓展至其他稀土掺杂体系，未来将通过能带工程进一步拓宽光响应范围。