Advanced Materials:尺寸也很重要——单畴铁电光催化剂中的电荷分离机制

在光催化过程中,提高太阳能转化效率的核心问题是提高光生电子和空穴的分离效率,构筑内建电场是提高电荷分离的有效手段。铁电半导体材料不同于普通半导体,其具有自发极化而产生铁电电场。尽管铁电材料内部电场的理论值高达10 5kV/cm,但是在实际光催化过程中的效率却很低,研究铁电光催化剂的电荷分离机制具有重要意义。

中科院大连化学物理研究李灿院士和范峰滔研究员团队利用表面光电压成像探讨了PbTiO3单畴铁电光催化颗粒中铁电场在光生电荷分离方面的作用机制。研究表面,不同于传统意义上的表面极化模型,铁电自发极化引起的退极化体电场是光生电荷分离的主要驱动力,决定电荷分离效率。在单畴的铁电钛酸铅颗粒中,光生电子和空穴可以直接将电子和空穴分别分离到两个对称的{001}晶面上,而且电荷分离能力和光催化活性都随着粒子沿极化方向的厚度的增加而增加。而对于表面能带弯曲,在大于一定空间电荷层厚度后,其对于电荷分离的贡献应为定值。这说明,铁电材料内部的退极化场对电荷分离有贡献。进一步的测试和计算表面,退极化场是电荷分离的主要驱动力,在一定尺寸范围内为一定值,其大小约为3.6 kV/cm,远小于其理论值。这表明退极化场被部分屏蔽,屏蔽场会阻碍电荷分离。提高铁电材料电荷分离的关键因素在于提高退极化场强度和减小屏蔽场。该工作对铁电光催化在微纳尺度上的设计和提高电荷分离研究方面具有重要意义。

相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201906513)期刊上,该工作得到了科技部973项目,国家自然科学基金,中科院先导项目、科研仪器设备研制项目和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。