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Nature 子刊：钛酸铋单晶空间电荷再分布促进光催化全水解

第一作者：贾广日，孙福赛

通讯作者：余济美，郭正晓、范峰滔

通讯单位：香港中文大学，香港大学、中科院大连化学物理研究所

论文DOI：10.1038/s41467-024-49168-2

正文内容

人工光合作用利用太阳能生产清洁燃料的一种很有前途的方法。光催化分解水实现H₂和O₂的2:1的比例是一个挑战。这主要归结于它在实际中受到光生载流子迁移缓慢和电子/空穴快速复合两个问题的制约。合理设计的空间分化的二维Bi₄Ti₃O₁₂（BTO）纳米片，以增强整体的水分解是一种有效的策略。这种策略实现了空间分化结构克服了单晶半导体中不同晶面间电荷转移的限制。所得光催化剂在模拟太阳光照下，以接近2:1的化学计量比并实现太阳转化氢气效率为0.1%。

热点1. 盐酸特异性刻蚀钛酸铋晶面，合成了具有空间分化结构的钛酸铋单晶。

热点2. 合理设计的空间分化的二维BTO纳米片克服了单晶半导体中不同晶面间电荷转移的限制，能够有效的促进电荷载流子的重新分布，最终实现光分解水产生化学计量比的氢气与氧气。

图文解析

钛酸铋是一种层状结构的二维材料，其特点是铋氧[Bi₂O₂]²⁺结构和钙钛矿样[Bi₂Ti₃O₁₀]^2-结构的规则堆叠，其中Bi-O键可以通过质子和卤化物离子的相互作用蚀刻。最终导致沿边缘区域形成空心结构（图1）。

图1. 光催化剂的形貌和晶体结构分析

SPVM研究了光生电荷分布与结构形态之间的空间相关性以及光吸收与载流子迁移和转移之间的依赖关系的有效工具，结果发现电子转移与材料的空间形态和结构有关。具有蚀刻边缘的空心区域具有丰富的光生电子，这主要是由于边缘较薄的区域可以加速电子从体和中心向表面的迁移（图2）。

图2. 光催化剂的电荷分离的空间分布

在光照射下分别在光催化表面沉积析氢助催化剂Ru/CrO_x和析氧助催化剂CoO_x。刻蚀的BTO的光催化活性显著提高，分别达到371.8 μmol h-1 (H₂)和188.8 μmol h-1 (O₂)的最大值，是原始单晶BTO的212倍。最后，刻蚀的BTO的太阳能到氢(STH)能量转换效率估计为0.1%（图3）。

图3. 光催化剂的OWS性能和AQE