双位点共掺杂策略：低价金属阳离子协同提升SrTiO3光催化分解水性能

针对SrTiO3(STO)中Ti3+缺陷限制光催化分解水效率的问题，研究人员创新性地采用K+和Al3+双位点共掺杂策略，通过平衡氧空位电子富集态并促进Ti3+再氧化，使优化后的0.5K,1Al-STO产氢效率提升17.54倍。该研究为设计高效钙钛矿光催化剂提供了新思路。

　　

在全球能源危机背景下，光催化分解水制氢技术被视为解决可持续能源问题的关键途径。作为典型钙钛矿材料，SrTiO₃因其理想的能带结构备受关注，但本征Ti³⁺缺陷导致的光生载流子复合严重制约其实际应用。传统单掺杂策略虽能部分抑制缺陷，但存在掺杂浓度受限、热力学稳定性不足等瓶颈。尤其值得注意的是，先前研究多聚焦于高价A位与低价B位共掺杂，而对双低价金属协同作用的探索仍属空白。

安徽大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，开创性地提出K⁺(A位)/Al³⁺(B位)双位点共掺杂策略。通过熔盐法成功合成系列K,Al-STO材料，发现0.5%K和1%Al共掺杂样品实现523.73 μmol·h^-1的H₂产率和256.00 μmol·h^-1的O₂产率，较纯STO提升17.54倍。结合同步辐射X射线吸收谱(XAS)和密度泛函理论(DFT)计算，揭示K⁺的"桥梁效应"可促进Al³⁺掺入，二者协同作用使费米能级(E_f)向价带顶移动，显著降低材料n型特征。

关键技术包括：熔盐法合成掺杂STO纳米颗粒；X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征晶体结构；电子顺磁共振(EPR)检测Ti³⁺浓度变化；紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析光吸收特性；基于DFT的能带结构计算。

【结构形貌分析】XRD显示所有样品保持立方钙钛矿结构，K⁺掺杂引起晶格膨胀(2θ左移0.12°)，而Al³⁺掺杂导致收缩(2θ右移0.08°)，证实离子成功掺入对应位点。高分辨TEM观察到(110)晶面间距从0.276 nm(纯STO)调整为0.279 nm(0.5K,1Al-STO)。

【缺陷调控机制】EPR结果表明双掺杂使Ti³⁺信号强度降低82%，XPS证实Ti⁴⁺/Ti³⁺比例从4.31(纯STO)提升至9.76。DFT计算揭示K⁺引入形成Sr空位，降低Al³⁺掺入能垒(从2.7 eV降至1.3 eV)，协同促进Ti³⁺再氧化。

【催化性能提升】光电化学测试显示0.5K,1Al-STO的电荷分离效率达78.3%，较纯STO提高5.2倍。原位红外光谱捕获到增强的H₂O吸附峰(3450 cm^-1)，活化能计算表明水解离能垒从1.04 eV降至0.68 eV。

该研究突破性地证实：双低价金属共掺杂可通过电子补偿机制平衡氧空位效应；K⁺的"掺杂促进剂"作用显著提升Al³⁺固溶度上限；协同效应优化表面水解离动力学。这不仅为STO基光催化剂设计提供新范式，更深化了对钙钛矿材料缺陷工程-催化性能构效关系的理解。研究团队特别指出，该策略可拓展至其他ABO₃型光催化剂体系，为开发高效太阳能-氢能转换材料开辟新途径。