光催化:铁电材料的新工作

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(a)铁电材料的自发极化帮助分开电子和空穴;(b)7.5nm的BaTiO3 颗粒透射电镜照片;(c)Ag修饰的BaTiO3 颗粒透射电镜照片;(d)不同温度下的光催化能力对比;(e)Ag修饰前后的光催化效果对比。

长期以来,铁电材料(如BaTiO3)作为一类具有自发极化(spontaneous polarization)的物质在电容器、压电传感器、存储和微驱动器等方面被广泛应用。而最近发现,这种材料所能做的远远不止这些。其内部的自发极化使其在光催化领域也能施展拳脚。

光催化技术是利用光响应材料吸收太阳光来产生电子-空穴对,从而与外界产生氧化-还原反应。这一技术在环境净化、光解水制氢和染料敏化太阳能电池等领域具有巨大的应用前景。但是,目前光催化剂的太阳能转化效率还比较低,有一系列的问题还有待解决,其中光生电子-空穴对的复合是一个非常重要的限制。而对于这个问题,铁电材料内部的自发极化可拉开光生电子-空穴对,从而减少其复合几率,进而提高光催化效率。

为了清晰的认识铁电材料自发极化对光催化过程的影响,西安交通大学前沿科学技术研究院杨耀东课题组合成了不同尺寸的,高质量单分散的BaTiO3纳米颗粒,并以平均粒径为7.5nm 的BaTiO3颗粒为模型,研究了其铁电性对光催化效率的影响。研究证明7.5nm BaTiO3 纳米颗粒任然有铁电性,但其铁电性又有别于块体BaTiO3:随着温度的升高,BaTiO3 纳米颗粒的自发强度逐渐降低,到了80oC极化强度几乎为零。把7.5nm BaTiO3 的纳米颗粒在紫外灯照射下置于含有罗丹明B的环境下进行变温催化测试,发现在30oC条件下罗丹明B的降解效率要比80oC时高11.9%,充分说明了铁电材料的自发极化对光催化能力的显著影响。为了进一步提高BaTiO3光催化效率,我们把Ag纳米颗粒复合到纳米铁电材料上,结果显示光催化效率得到了进一步提高。通过把宽禁带铁电材料和光敏感材料在纳米尺度复合起来,得到了新的高性能的光催化材料。