突破铁电材料光催化制氢瓶颈：精准调控表面缺陷，开启高效水分解新篇

为解决铁电材料在光催化水分解中效率低的问题，研究人员以 PbTiO3为对象，研究其表面缺陷对光催化性能的影响。结果发现表面 Ti 缺陷会阻碍电子参与反应，生长 SrTiO3纳米层可消除缺陷，大幅提升水分解活性，为设计铁电光催化系统提供策略。

　　在科技飞速发展的今天，能源问题愈发凸显，寻找高效、清洁的能源转换方式成为科研领域的热门话题。光催化水分解制氢，作为一种极具潜力的绿色能源技术，吸引了众多科研人员的目光。铁电材料，凭借其独特的结构和电学性质，在光催化领域本应大放异彩，然而现实却不尽如人意。尽管铁电材料内部的电场理论上有助于电荷分离，且其电场强度比传统半导体光催化剂高 3 - 4 个数量级，但在实际的水分解反应中，铁电催化剂的表现却差强人意，其效率远低于 p - n 结、异质结等其他策略。这一巨大的反差让科研人员困惑不已，究竟是什么因素在背后 “捣乱”，限制了铁电材料光催化性能的发挥呢？

为了揭开这层神秘的面纱，中国科学院大连化学物理研究所等机构的研究人员展开了深入探究。他们将目光聚焦在铁电材料 PbTiO₃上，开展了一系列研究。最终发现，原来在 PbTiO₃正极化面附近的表面 Ti 空位缺陷是 “罪魁祸首”，这些缺陷会捕获电子并诱导其复合，从而严重阻碍了光催化性能。而通过在 PbTiO₃极化面上选择性生长 SrTiO₃纳米层，能够有效减少界面 Ti 缺陷，建立高效的电子转移路径，将电子寿命从 50 微秒延长至毫秒级，显著提高电子参与水分解反应的比例。这一成果使得整体水分解的表观量子产率达到了铁电光催化材料目前报道的最高值，为铁电材料在光催化领域的应用开辟了新的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X 射线衍射（XRD）、压电响应力显微镜（PFM）等技术，对 PbTiO₃的形貌、晶体结构和铁电性质进行分析；通过高分辨率扫描透射电子显微镜（HR - STEM）和电子能量损失谱（EELS）研究材料的表面结构和缺陷。在光催化性能测试上，进行了整体水分解反应实验，检测 H₂和 O₂的生成速率，并计算表观量子产率（AQY）。此外，还运用表面光电压（SPV）测试、瞬态表面光电压（TPV）实验、中红外瞬态吸收光谱（MIR - TAS）等技术，深入探究电荷分离和转移的动力学过程。

下面让我们详细了解一下研究结果。

1. 材料制备与表征：研究人员采用水热法成功合成了形貌均匀的 PbTiO₃单晶。通过 SEM 和 AFM 分析其形貌，发现颗粒尺寸主要为 600nm。XRD 和 PFM 测试证实了其铁电四方相的性质，且具有单畴结构，这种结构有利于减少电荷复合中心，为光催化应用提供了良好的基础。
2. 表面结构研究：运用 HR - STEM 和 EELS 对 PbTiO₃的表面结构进行研究，发现其表面存在畸变，Ti 原子的 d 轨道分裂峰在表面区域减小，表明表面存在缺陷。进一步通过飞行时间二次离子质谱（TOF - SIMS）分析，确定了表面缺陷是由于 Ti 原子的浸出导致的。
3. 表面修饰及影响：在 PbTiO₃表面选择性生长 SrTiO₃纳米层进行表面修饰。SEM 和能量色散 X 射线光谱（EDS）结果表明，STO 纳米层成功覆盖在 PTO 表面，且选择性地暴露了负极化面。通过光沉积实验和 SPV 测试，证实了 STO 纳米层的引入并未改变 PTO 的电荷分离方向，且促进了电子向 STO 表面的转移。
4. 光催化性能提升：进行整体水分解反应实验，结果显示，未修饰的 PTO 产 H₂速率为 3.27 μmol/h，修饰后的 STO/PTO 产 H₂速率大幅提升至 216.83 μmol/h，光催化整体水分解活性提高了近 65 倍，AQY 达到 4.08%@365 nm，这是目前铁电光催化材料报道的最高效率。
5. 作用机制探究：研究人员对 STO 纳米层提升光催化活性的机制进行了深入探究。通过制备不同生长时间的 STO/PTO 样品并测试其光催化活性和 SPV 信号，发现 STO 纳米层的生长过程分为两个阶段，随着其覆盖度的增加，光催化活性先升高后降低。综合各项实验结果，表明 STO 纳米层在提升光催化活性中并非主要通过形成异质结，而是通过消除表面 Ti 缺陷，减少电荷复合，延长电子寿命，从而提高光催化水分解活性。

在研究结论和讨论部分，该研究清晰地揭示了 PbTiO₃铁电光催化剂表面电荷动力学与表面反应之间的关系。确认了表面 Ti 缺陷结构的存在及其对光催化性能的负面影响，同时证明了生长 SrTiO₃纳米层可有效消除这些缺陷，构建高效的光催化剂用于整体水分解反应。这一研究成果不仅加深了科研人员对表面缺陷影响铁电材料电荷分离和转移机制的理解，也为通过化学生长纳米层消除缺陷结构来提升光催化活性提供了有效策略，为进一步优化铁电光催化系统指明了方向，在能源领域具有重要的理论意义和应用价值，有望推动光催化水分解技术从实验室走向实际应用，为解决全球能源问题贡献力量。