Advanced Energy Materials:单畴铁电纳米材料的光催化研究-极性结构增强的光降解效率

因晶体结构中自发极化引发的铁电畴和畴壁的存在,使铁电材料展现出独特的存储、传感等特性,长期以来被广泛应用于超声,热释电及光伏器件中。近年来,铁电材料在光催化领域的应用研究也得到了广泛的关注。光催化是利用半导体材料吸收太阳光后产生的光生载流子与外界物质发生氧化还原反应,从而将太阳能进行转化和存储的一种技术。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载流子(电子-空穴)的分离效率。不同于普通半导体,铁电材料的极化结构使其具有稳定存在的内部电场,可以提高光生电子-空穴的分离效率,从而解决这一限制太阳能转化效率的核心问题。

已有的基于单晶多畴BaTiO3的研究表明,极化的存在可以使载流子的寿命从非极化材料的微秒级别提高到毫秒级别。在铁电材料的性能研究中,畴壁往往起到非常大甚至关键的作用。因此对多畴铁电材料的研究中,有一个基本的物理问题仍待解决:如果没有畴壁的贡献,单畴材料中的极化是否能够提高载流子的分离效率,从而获得更高的光催化效率? 为了研究这一问题,英国伦敦玛丽女王大学晏海学教授、王亚琼博士,伦敦南岸大学Steve Dunn教授及合作者通过熔盐法合成了单晶单畴的BaxSr1-xTiO3纳米颗粒,通过比较室温下具有极性结构的Ba0.8Sr0.2TiO3 与非极性结构的Ba0.2Sr0.8TiO3对染料罗丹明B分子的光催化降解性能,证明了在没有畴壁贡献的情况下,铁电材料内部极化能够促进光生载流子的分离,产生更高的光降解效率。值得说明的是,由于纳米尺度的铁电材料受到尺寸效应的影响,对其铁电性的表征需要谨慎。当铁电材料的尺度小于一定值时(如BaTiO3 晶粒小于400nm),其晶体结构由单晶多畴演变为单晶单畴,同时伴随自发极化和自发应变的减小和铁电居里点的降低。这会导致通过普通XRD或TEM表征难以证明材料内部极化的存在,需要用对结构变化更敏感的Raman来检测。这对研究纳米尺度铁电材料的光催化性能非常重要。铁电材料在光催化领域的应用还有赖于更多的材料体系的开发和优化。针对铁电极化增强光催化效率的机理研究,将有助于设计、筛选新的材料体系。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001802)上。