通過(guò)模擬自然光合作用,構(gòu)建Z-機(jī)制人工光合系統(tǒng),有望突破高效可見(jiàn)光解水的挑戰(zhàn),是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)光解水制氫頗具潛力的途徑(圖1A)。然而,傳統(tǒng)Z-機(jī)制系統(tǒng)中的光生電子與空穴在光催化材料表面分布無(wú)序,同時(shí)氧化還原電對(duì)在材料表面的吸附呈無(wú)序狀態(tài),導(dǎo)致氧化還原電對(duì)在作為系統(tǒng)中低能空穴(來(lái)自產(chǎn)氫光催化材料)和低能電子(來(lái)自產(chǎn)氧光催化材料)間電荷傳輸媒介時(shí),其與系統(tǒng)中高能電子(來(lái)自產(chǎn)氫光催化材料)間的副反應(yīng)難以避免。該副反應(yīng)與光催化分解水產(chǎn)氫目標(biāo)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng),抑制了Z-機(jī)制人工光合系統(tǒng)光解水活性的提升。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心劉崗團(tuán)隊(duì)前期探究了單疇鐵電PbTiO3光催化材料獨(dú)特的光生電荷空間分離特性(Chemical Communications 2014, 10416),并基于異質(zhì)外延界面構(gòu)筑發(fā)展出可有效促進(jìn)光生電荷空間分離的新策略(Joule 2018, 1095)。在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)與合作者近日提出了利用鐵電極化誘導(dǎo)光生電荷與氧化還原電對(duì)的協(xié)同空間分離來(lái)構(gòu)建新型Z-機(jī)制人工光合系統(tǒng)(圖1B),助力實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光光催化全解水制氫。相關(guān)研究成果以Ferroelectric polarization enabled spatially selective adsorption of redox mediators to promote Z-scheme photocatalytic overall water splitting為題,發(fā)表在Joule上。
該研究以單疇鐵電PbTiO3片狀單晶顆粒為產(chǎn)氫光催化材料,其晶體結(jié)構(gòu)在c方向具有明顯的正負(fù)電荷中心不重合的結(jié)構(gòu)特征,使該材料存在貫穿體相的內(nèi)建電場(chǎng),表面則為正負(fù)相反的極性表面【正極性面(001(-))和負(fù)極性面(001)】。在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下,光生電子與光生空穴分別遷移至PbTiO3的正極性面與負(fù)極性面,溶液中的陽(yáng)離子與陰離子則選擇性地分別吸附于負(fù)極性面與正極性面(圖2)。因此,當(dāng)選取Fe3+/Fe2+或Co(bpy)32+/Co(bpy)33+等陽(yáng)離子為氧化還原電對(duì)時(shí),即可實(shí)現(xiàn)PbTiO3顆粒表面光生電子與氧化還原電對(duì)的雙重空間分離,進(jìn)而達(dá)到有效抑制副反應(yīng)的目的?;诖耍cBiVO4產(chǎn)氧光催化材料匹配,研究構(gòu)建出人工光合Z-機(jī)制光催化分解水系統(tǒng)。相比于非單疇PbTiO3所構(gòu)建的Z-機(jī)制系統(tǒng)(類似傳統(tǒng)Z機(jī)制系統(tǒng)),該新型Z-機(jī)制人工光合系統(tǒng)的可見(jiàn)光光催化分解水產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性均大幅提升(圖3)。這為基于鐵電極化來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建高效Z-機(jī)制光催化分解水制氫系統(tǒng)提供了新思路。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等的支持。
圖1.(A)傳統(tǒng)Z-機(jī)制光催化全解水系統(tǒng);(B)單疇鐵電材料構(gòu)建的新型Z-機(jī)制光催化全解水系統(tǒng)。藍(lán)色為產(chǎn)氫光催化材料,橙色為產(chǎn)氧光催化材料。
圖2.單疇鐵電PbTiO3片狀單晶顆粒內(nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生(A),微觀形貌(B和E),光生電荷的分離(C 和F)以及氧化還原電對(duì)的選擇性吸附(D和G)。
圖3.單疇PbTiO3基新型Z-機(jī)制系統(tǒng)與非單疇PbTiO3(C)基傳統(tǒng)Z-機(jī)制系統(tǒng)的可見(jiàn)光(波長(zhǎng)大于420 nm)光催化分解水性能對(duì)比。
(來(lái)源:金屬研究所 )