近日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition以“Al³⁺-Dependent Anisotropic Facet Tailoring on SrTiO₃ Single Crystal for Photocatalytic Overall Water Splitting”為題在線報(bào)道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在太陽能分解純水制氫領(lǐng)域的最新研究成果。

太陽能驅(qū)動(dòng)的分解純水制氫，被視為最具潛力的綠氫制取技術(shù)之一。光解水反應(yīng)由光吸收、電荷分離和表面反應(yīng)三個(gè)連續(xù)的過程組成，其中光生載流子的分離與傳輸作為連接光激發(fā)與表面催化反應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，面臨著錯(cuò)綜復(fù)雜的電荷遷移、傳輸、復(fù)合等多重路徑，導(dǎo)致大量光生載流子在材料內(nèi)部“迷路”復(fù)合，成為限制光解水反應(yīng)效率的核心瓶頸。研究人員發(fā)現(xiàn)，具有各向異性晶面的單晶半導(dǎo)體如同構(gòu)建了“電荷立交橋”，不同取向的晶面具備獨(dú)特的電荷特性，可驅(qū)動(dòng)電子與空穴分別駛向?qū)倬妫@種空間分離特性不僅能大幅降低電荷復(fù)合概率，更實(shí)現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)的分區(qū)進(jìn)行，為突破效率瓶頸提供了一種有效的解決方案。然而，傳統(tǒng)高溫固相合成難以精確控制單晶材料的晶面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電荷傳輸通道受阻。在近期的研究結(jié)果中，研究團(tuán)隊(duì)通過熔鹽輔助固相合成方法，揭示了微量Al³⁺摻雜對鈦酸鍶（SrTiO₃）單晶{111}晶面結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6618），進(jìn)而構(gòu)建出高效的各向異性晶面結(jié)構(gòu)。盡管如此，對于Al³⁺調(diào)控SrTiO₃單晶表面結(jié)構(gòu)的深層機(jī)制仍然缺乏系統(tǒng)的理解。

針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地發(fā)展了一步熔鹽法合成各向異性單晶的新策略，采用互熔性AlCl₃作為Al³⁺添加源，通過精確調(diào)控熔鹽環(huán)境中Al³⁺濃度，率先實(shí)現(xiàn)了從{100}到{111}再到{110}晶面可控暴露的逐步演變過程，成功制備出系列高質(zhì)量各向異性SrTiO₃單晶。結(jié)合Wulff構(gòu)造模型和第一性原理計(jì)算，闡明了Al³⁺摻雜誘導(dǎo)的{111}晶面重構(gòu)穩(wěn)定機(jī)制，并從原子尺度揭示了Al³⁺濃度引起的晶面結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。在飽和Al³⁺摻雜充分抑制缺陷態(tài)的前提下，證實(shí)了各向異性晶面結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的空間電荷分離成為活性提升的主導(dǎo)因素。所制備的具有明確{100}和{111}晶面結(jié)構(gòu)的SrTiO₃單晶，在全分解水反應(yīng)中展現(xiàn)出2621.85 μmol·h^-1優(yōu)異的產(chǎn)氫速率，在350 nm波長下實(shí)現(xiàn)50.5%的表觀量子效率，將太陽能制氫效率提升至國際先進(jìn)水平。該研究不僅推動(dòng)了熔鹽法合成各向異性單晶材料和非平衡態(tài)晶面調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，更為深入理解晶體結(jié)構(gòu)與光催化全分解水活性之間的構(gòu)效關(guān)系提供了新見解。

文章被編輯選為全分解水領(lǐng)域“Very Important Paper (VIP)”。該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張陽在劉鵬飛副教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國家重點(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://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202508114