铁电材料由于其自发极化，特别是对于钙钛矿型铁电材料，如BaTiO3、14PbTiO3和BiFeO3，为光生电荷的空间分离建立了固有的内部场，因此在光催化水分离领域具有巨大的前景。然而，铁电极化通常伴随着一些固有缺陷，特别是氧空位，其对光催化的影响远未被充分理解和调节。中国科学院金属研究所刘岗研究员课题组通过理论和实验相结合的观点研究了氧空位对PbTiO3光催化行为的影响。证明了单畴PbTiO3光催化剂中氧空位对光催化水分解行为（活性和选择性）的强烈依赖性。负极化晶面（001）中的氧空位是水氧化成O2的活性位点，而无缺陷位点更倾向于H2O2氧化产物。用PbTiO3/Rh/Cr2O3进行光催化总水分离时，435 nm处的表观量子产率为0.025%。相关工作以“Photocatalytic Overall Water Splitting over PbTiO3 Modulated by Oxygen
Vacancy and Ferroelectric Polarization”为题发表在Journal of
the American Chemical Society上。
要点1. 由于氧空位和铁电极化，单畴铁电PbTiO3能够在Rh/Cr2O3或RuO2的助催化剂的帮助下进行光催化整体水分解。如EELS分析、EDX线性扫描和ESR光谱所证实的，PbTiO3中氧空位的含量可以通过在不同温度下退火来调节。要点2. 光催化实验和理论计算表明，PbTiO3中的氧空位是H2O氧化为O2的活性位点，而其余无氧空位的位点负责H2O氧化成H2O2。单畴PbTiO3光催化行为中氧空位和极化的澄清为未来光催化领域铁电材料的设计提供了有用的指导。图1. 铁电极化对电荷分离影响的示意图。
图2. 铁电PbTiO3的氧空位在光催化水分解中的作用。
图3. 空气退火前后PbTiO3的氧空位分布。
图4. 纯水分解和H2O2检测的光催化活性。
图5. 通过微观表征和电荷分离改变极化强度。
Photocatalytic
Overall Water Splitting over PbTiO3 Modulated by Oxygen Vacancy and
Ferroelectric Polarization
Gedeng Wan, Lichang Yin, Xing Chen,
Xiaoxiang Xu, Jie Huang, Chao Zhen, Huaze Zhu, Biaohong Huang, Weijin Hu,
Zhaohui Ren, He Tian, Lianzhou Wang, Gang Liu,* Hui-Ming Cheng
J. Am. Chem. Soc.
DOI: 10.1021/jacs.2c08177
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