多功能SrTiO3纳米颗粒的结构与光学特性分析及其在光催化和染料敏化太阳能电池中的协同应用

本研究通过溶胶-凝胶法合成SrTiO3（ST）纳米颗粒，系统表征其立方钙钛矿相结构（XRD、SEM/TEM）及3.24 eV光学带隙（UV-Vis/PL），成功实现可见光下56.13%亚甲基蓝（MB）降解（光催化）和天然石榴染料敏化的DSSCs光电转换性能提升，为环境修复与可再生能源开发提供双功能材料解决方案。

　　

随着全球能源危机和环境恶化，开发兼具污染物降解与太阳能转换功能的材料成为研究热点。传统半导体如TiO₂存在可见光利用率低等问题，而钙钛矿型SrTiO₃（ST）因其可调带隙（3.1-3.78 eV）和优异电荷迁移率备受关注。然而，未改性ST在可见光催化效率（通常<50%）和染料敏化太阳能电池(DSSC)应用中的性能仍有提升空间。印度巴纳拉斯印度教大学的研究团队通过低温溶胶-凝胶法合成ST纳米颗粒，系统研究其结构-性能关系，并创新性地将同一材料同时应用于MB染料降解和天然染料敏化DSSCs，相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修、扫描/透射电镜（SEM/TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱、紫外-可见漫反射（UV-Vis DRS）和光致发光（PL）光谱等表征技术，样本来自该校生物物理实验室。

X射线衍射（XRD） 显示400-800°C煅烧的ST均形成立方钙钛矿相（空间群Pm-3m），800°C样品结晶度最佳，晶格参数3.905 ?。SEM/TEM 证实颗粒呈20-50 nm球形，选区电子衍射（SAED）明锐斑点证实单晶特性。XPS 揭示表面Sr/Ti化学计量比为1:1，Ti⁴⁺占主导（458.5 eV结合能）。光学特性 显示直接带隙3.24 eV，PL光谱在415 nm（蓝紫）和525 nm（绿）的发射峰归因于氧空位缺陷。

光催化性能 测试表明，可见光下120分钟降解56.13%的10 ppm MB溶液，动力学符合准一级模型（k=0.0064 min^-1）。对比UV光照实验（降解率提升27%）证实氧空位促进电荷分离。DSSC应用 中，ST光阳极与石榴汁（含花青素）组合的器件表现出增强的光电流响应，开路电压(V_oc)达0.68 V，优于传统有机染料体系。

结论指出，溶胶-凝胶法合成的ST纳米颗粒兼具高效光催化与DSSC光阳极功能：立方相晶体结构保障电荷传输，氧空位缺陷拓展可见光响应，表面化学计量比优化促进界面反应。该研究创新点在于：（1）揭示未掺杂ST的本征活性可超越部分改性材料；（2）首次将天然石榴染料与ST耦合用于DSSCs；（3）为"环境修复-能源转换"一体化器件设计提供新思路。讨论部分强调，未来通过调控煅烧温度（如500°C可能平衡结晶度与比表面积）和缺陷工程（如可控氧空位浓度），可进一步优化材料性能。印度大学资助委员会（UGC）和该校卓越计划（IoE）为本研究提供支持。