在太陽能驅動的綠色燃料轉化技術領域，晶態(tài)半導體光（電）催化材料的構效關系研究是推動反應活性與選擇性提升的核心科學問題。近期，我校材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在單晶半導體催化劑各向異性行為研究方面取得系列研究進展，應國際知名學術期刊Angew. Chem. Int. Ed.邀請，撰寫了題為“Anisotropy of Single‐Crystal Semiconductors in Photo(electro)catalysis”的綜述論文，系統(tǒng)總結了近年來單晶催化劑在光（電）催化反應中晶面/晶向相關的各向異性特征與調控策略，揭示了晶體構型與反應機制之間的多尺度耦合關系。

圖1 a) 各向異性晶體結構和表面原子排列示意圖。b) 各向異性半導體光（電）催化劑的發(fā)展歷程和重要研究成果。

單晶半導體因其可控的晶體取向和高度有序的結構構型，為構建高效能量轉化的光（電）催化體系提供了重要材料基礎，其光（電）催化性能普遍呈現出明顯的晶面/晶向依賴性，即本征的各向異性行為。我校楊化桂教授于2008年率先提出無機非金屬離子調控晶態(tài)半導體取向生長的理論（Nature, 2008, 453, 638. 引用4500余次），開創(chuàng)了基于各向異性晶面結構設計光（電）催化材料的研究范式。近年來的研究進一步表明，晶體各向異性廣泛影響光吸收能力、光生載流子的遷移路徑、表面活性位點的分布及關鍵中間體的吸附與轉化機制。因此，僅依賴材料的整體組成或宏觀結構已難以準確預測其光（電）催化行為。同時，單晶材料在界面結構設計、晶面精確調控及器件集成兼容性等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了其實際應用的拓展。在此背景下，圍繞晶體各向異性開展系統(tǒng)研究，亟需從材料合成、原位/工況表征與理論模擬等多個維度出發(fā)，深入揭示晶面誘導的結構與性能關系，構建可推廣的各向異性晶體結構調控范式，為高效光（電）催化體系的精準設計與工程應用提供理論支撐與方法依據。

圖2 光（電）催化中的各向異性機制示意圖。各向異性單晶半導體相關的光催化氧化還原反應的示意圖。①光吸收, ②載流子分離, ③表面氧化還原反應。

研究團隊聚焦單晶半導體在光（電）催化中的各向異性構效關系，系統(tǒng)回顧了近年來關于晶面/晶向依賴性對光（電）催化行為影響的研究進展，重點解析了不同晶面取向與表面原子構型所引發(fā)的電子結構調控效應、光生載流子遷移路徑重構以及界面反應動力學變化，闡明了晶體各向異性在提升太陽能轉化反應效率中的核心作用。此外，研究團隊對未來構建高性能光（電）催化體系的發(fā)展方向提出展望：包括提升對晶面/晶向誘導結構—性能關系的理解深度；發(fā)展更高時空分辨率的原位/準原位表征手段以追蹤反應過程中晶面功能動態(tài)演化；設計具備可控取向、界面兼容性強的單晶器件結構；構建集成理論計算、實驗驗證與機器學習協(xié)同驅動的多尺度建模平臺。隨著各向異性調控策略與表征技術的持續(xù)發(fā)展，將有望打破傳統(tǒng)催化劑性能優(yōu)化的瓶頸，推動單晶材料從基礎研究走向功能化器件集成，為太陽能轉化、碳中和技術等領域提供強有力的結構設計工具與理論指導。

該綜述主要由我校材料科學與工程學院博士生丁鵬程在楊化桂教授、劉鵬飛副教授及華東師范大學王雪璐教授等人的指導下完成，研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市基礎研究特區(qū)等項目的支持。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202511706