金屬研究所在光解水制氫研究方面取得進展

2023年12月12日 16:15:23來源：化工儀器網作者：楊點擊：9429

　　【化工儀器網項目成果】氫能是二次能源，具有清潔、高效、安全、可貯存、可運輸等諸多優點。近年來，隨著對環境問題的重視程度加深，尋找新能源的研究越來越受到人們的關注，氫能也受到了高度重視。光解水制氫技術始自1972年，由日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授首次報告發現TiO2單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。

　　太陽能光催化分解水制氫是獲取綠氫極具潛力的技術，其走向應用的關鍵是發展高效穩定的半導體光催化材料。鐵電光催化材料(例如PbTiO3、BiFeO3、Na0.5Bi0.5TiO3和Bi3TiNbO9)由于具有能夠促進光生載流子分離的內建電場而廣受關注。其中，Bi3TiNbO9是一種奧里維里斯(Aurivillius)型層狀鐵電光催化材料，具有沿a軸方向的退極化場，該內建電場源自(Bi2O2)2+層中的鉍原子和(BiTiNbO7)2-中的氧原子發生偶極相互作用而產生晶格畸變。在退極化場驅動和層間擴散約束下，電子傾向于富集在{001}面，而空穴富集在{110}面，從而實現了光生電荷和反應位點的空間分離。然而，Bi3TiNbO9中產生的光生電子沿層間(c軸)傳輸的能壘較大，光生電荷分離不足，限制了該材料的光催化全分解水活性。

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉崗團隊前期圍繞PbTiO3鐵電材料研究了鐵電特性在光催化分解水中的作用，同時對層狀鐵電材料展開了深入探究，發現將Bi3TiNbO9片狀顆粒的表面終端層從(Bi2O2)2+層調變為(BiTiNbO7)2-層能夠實現穩定地光催化全分解水。在此基礎上，該團隊與合作者近期提出了利用梯度W摻雜在Bi3TiNbO9片狀顆粒的c軸方向引入額外的內建電場助力光催化全分解水。

　　該研究在Bi3TiNbO9片狀顆粒中進行梯度的W摻雜，引入額外的內建電場，用于克服光生電子在(Bi2O2)2+層和(BiTiNbO7)2-層之間的勢壘，將光生電子激發到基面{001}晶面，從而打破層狀Bi3TiNbO9光催化材料全分解水的瓶頸。

　　相關研究成果以Gradient tungsten-doped Bi3TiNbO9 ferroelectric photocatalysts with additional built-in electric field for efficient overall water splitting為題發表于《自然-通訊》(Nature Communications)。

　　來源：金屬研究所

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