Pr/Ti共掺杂BiFeO3纳米颗粒中构建形态相界增强光电催化性能的研究

为解决BiFeO3（BFO）光生电子-空穴对复合率高、催化效率低的问题，研究人员通过Pr/Ti共掺杂构建形态相界（MPB），显著提升光电催化性能。结果表明，MPB优化了内建极化场和能带结构（带隙从3.02 eV降至2.02 eV），Pr0.15Bi0.85Fe0.97Ti0.03O3纳米颗粒在-0.8 V vs. RHE下光电流密度达66.47 mA cm-2，为清洁能源转化提供新策略。

　　

论文解读

太阳能驱动的光电化学（PEC）水分解是清洁能源生产的重要途径，但高效催化材料的开发仍是挑战。多铁性材料BiFeO₃（BFO）因窄带隙（2.0–2.7 eV）和可见光响应特性备受关注，但其光生电子-空穴对的高复合率和低迁移率严重制约实际应用。尽管通过纳米结构构建、异质结设计等手段有所改进，元素掺杂构建形态相界（Morphotropic Phase Boundary, MPB）因其可调控内建电场和能带结构的独特优势成为新思路。

为突破这一瓶颈，国内研究人员通过溶胶-凝胶法制备了Pr/Ti共掺杂的Bi_1-xPr_xFe_0.97Ti_0.03O₃（BPFTO-x）纳米颗粒，系统研究了MPB对光电催化性能的影响。研究显示，Pr³⁺取代Bi³⁺可引入4f/5d轨道促进电子跃迁，而Ti⁴⁺取代Fe³⁺抑制晶粒生长，二者协同形成MPB，显著提升电荷分离效率。该成果发表于《Materials Today Communications》，为高效光电催化剂设计提供了理论依据和实践范例。

关键技术方法

研究采用溶胶-凝胶法合成BPFTO-x纳米颗粒，以钛酸四丁酯、硝酸铋等为原料，乙二醇-乙酸混合溶剂为介质。通过X射线衍射（XRD）分析相结构，紫外-可见光谱测定带隙，电化学工作站评估光电流密度，并结合氧空位浓度测试阐明性能提升机制。

研究结果

Characterizations
XRD证实Pr/Ti共掺杂诱导BFO从菱方相（R3c）向四方相（Pbam）转变，形成MPB（图1）。精修结果显示，BPFTO-0.15具有最优相界比例。

Result and discussion
MPB增强的内建极化场使光生载流子分离效率提升，带隙从3.02 eV降至2.02 eV（图2）。Pr掺杂增加氧空位浓度，为电子捕获提供位点。BPFTO-0.15在1 M Na₂SO₄中光电流密度达66.47 mA cm^-2（-0.8 V vs. RHE），较未掺杂样品提高近3倍。

Conclusions
MPB构建与氧空位协同优化了BPFTO-x的光电催化性能。BPFTO-0.15的优异表现归因于：①MPB增强电荷分离；②Pr³⁺调控能带结构；③Ti⁴⁺细化晶粒缩短迁移路径。该研究为多铁材料在能源领域的应用开辟了新方向。

意义与展望

该工作首次系统揭示了MPB对BFO基材料光电催化性能的调控机制，通过精准掺杂实现能带工程与缺陷工程的协同效应。未来可进一步探索MPB在其它钙钛矿氧化物中的普适性，推动太阳能-氢能转化技术的实际应用。