鐵電材料由于具有自發(fā)極化特性，為光生電荷的空間分離建立了內(nèi)在電場(chǎng)，因此在光催化水分解領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鐵電極化通常伴隨著一些固有缺陷，特別是氧空位，其對(duì)光催化作用的影響還遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分的探究。

基于此，中科院金屬研究所劉崗課題組通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了氧空位對(duì)單疇PbTiO₃光催化性能的影響。

理論計(jì)算結(jié)果表明，PbTiO₃中的氧空位在負(fù)極化面(001)上積累，并且其是將水氧化成O₂的活性位點(diǎn)，而無(wú)缺陷位點(diǎn)更傾向于將水氧化生成H₂O₂。此外，研究人員利用PbTiO₃/Rh/Cr₂O₃光催化全水分解反應(yīng)，催化劑上氫氣和氧氣的產(chǎn)率分別為3.29 μmol h^-1和1.74 μmol h^-1；其在435 nm處的表觀量子產(chǎn)率為0.025%，這優(yōu)于單一未摻雜金屬氧化物基光催化劑。

鐵電極化的方向和大小對(duì)電荷分離有很大的影響，可以通過(guò)Au和MnO_x粒子的光化學(xué)共沉積來(lái)驗(yàn)證。結(jié)果表明，Au和MnO_x顆粒分別位于PbTiO₃的相反極化面上，揭示了單疇PbTiO₃上光生電荷的有效空間分離。然而，在退火過(guò)程中催化劑熱穩(wěn)定性狀態(tài)的變化，隨著相反疇向量的加入，單疇向多疇轉(zhuǎn)變，極化強(qiáng)度降低。

因此，為了保證光生電荷的有效分離和高的光催化水分解活性，強(qiáng)烈需要強(qiáng)的鐵電極化和單疇特性。由于極化強(qiáng)度與氧空位密切相關(guān)，屏蔽極化所需的氧空位含量隨極化強(qiáng)度的降低而降低。這也證實(shí)由于需要極化屏蔽，即使處理溫度繼續(xù)提高，仍然難以實(shí)現(xiàn)完全消除氧空位。綜上，該項(xiàng)工作闡明了單疇PbTiO₃光催化反應(yīng)中氧空位和極化現(xiàn)象對(duì)性能的影響，為今后鐵電材料在光催化領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了有利的指導(dǎo)。

Photocatalytic Overall Water Splitting over PbTiO3 Modulated by Oxygen Vacancy and Ferroelectric Polarization. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c08177