近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在光分解純水制氫材料晶面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)制方面取得新進(jìn)展，以晶態(tài)氧化物SrTiO₃為模型材料，在固相合成體系中可控制備出大比例暴露優(yōu)勢晶面的高質(zhì)量單晶催化劑。相關(guān)成果以“Crystal Facet Engineering on SrTiO₃ Enhances Photocatalytic Overall Water Splitting”為題在線發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。

利用太陽能制氫可以實(shí)現(xiàn)“零碳”制氫，對于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。太陽能分解水制氫有三種典型的轉(zhuǎn)化途徑：分別是直接光解水制氫、光電化學(xué)分解水制氫和光伏電解水制氫。其中，直接光解純水制氫技術(shù)由于其便捷性、經(jīng)濟(jì)性在“綠氫”制取路線中脫穎而出。然而，光解純水制氫綜合性能仍然較低，光激發(fā)載流子復(fù)雜的電荷分離、轉(zhuǎn)移、重組和表面（逆向）反應(yīng)嚴(yán)重制約了光解純水制氫效率，構(gòu)建具有高效電荷分離和活性表面的晶態(tài)光催化材料是實(shí)現(xiàn)高效光解水制氫的關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)先前的研究結(jié)果表明，在液相合成中通過選擇合適的無機(jī)離子、有機(jī)小分子可以調(diào)節(jié)晶態(tài)氧化物的表面能，進(jìn)而可控制備出有利于電荷傳輸和高活性特定表面暴露的晶態(tài)金屬氧化物材料（Nat. Commun. 2014, 5, 5355;Nano Lett. 2016, 16, 427）。然而，通過固相合成可控構(gòu)建形貌均一、具有特定晶面結(jié)構(gòu)的單晶氧化物仍然是領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地發(fā)展了一種固相合成晶面調(diào)控策略，通過固態(tài)前驅(qū)體再結(jié)晶過程，可控制備暴露高活性{111}晶面的SrTiO₃單晶光催化劑。預(yù)合成的低結(jié)晶度SrTiO₃前驅(qū)體為固態(tài)再結(jié)晶的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程提供了良好的動力學(xué)環(huán)境；微量Al³⁺摻雜離子作為表面形貌調(diào)節(jié)劑，可以精確調(diào)控晶體的表面取向?yàn)榭煽匕俜直鹊?/span>{111}晶面。光激發(fā)電子-空穴對在{100}和{111}面之間實(shí)現(xiàn)了高效的各向異性分離，光解水制氫活性隨著{111}晶面暴露比例的增加而提高。由于優(yōu)異的結(jié)晶度、低缺陷密度和各向異性表面等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，具有36.6%{111}晶面的SrTiO₃單晶光催化劑以2:1的化學(xué)計(jì)量比實(shí)現(xiàn)了高效的光催化分解純水，析氫速率達(dá)到1.55 mmol·h^?1。上述提出的晶面調(diào)控策略為研制具有明確結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度單晶材料開辟了新的途徑，對于太陽能燃料、太陽能發(fā)電和催化等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料制備具有重要意義。

該研究工作以華東理工大學(xué)為通訊單位。我校材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張陽為論文第一作者，我校劉鵬飛副教授、戴升教授、楊化桂教授為通訊作者，研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目的支持。

文獻(xiàn)鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12062