太陽能光催化分解水制氫是獲取綠氫極具潛力的技術(shù)，其走向應(yīng)用的關(guān)鍵是發(fā)展高效穩(wěn)定的半導(dǎo)體光催化材料。鐵電光催化材料（例如PbTiO3、BiFeO3、Na0.5Bi0.5TiO3和Bi3TiNbO9）由于具有能夠促進(jìn)光生載流子分離的內(nèi)建電場而廣受關(guān)注。其中，Bi3TiNbO9是一種奧里維里斯（Aurivillius）型層狀鐵電光催化材料，具有沿a軸方向的退極化場，該內(nèi)建電場源自(Bi2O2)2+層中的鉍原子和(BiTiNbO7)2-中的氧原子發(fā)生偶極相互作用而產(chǎn)生晶格畸變。在退極化場驅(qū)動和層間擴(kuò)散約束下，電子傾向于富集在{001}面，而空穴富集在{110}面，從而實(shí)現(xiàn)了光生電荷和反應(yīng)位點(diǎn)的空間分離。然而，Bi3TiNbO9中產(chǎn)生的光生電子沿層間（c軸）傳輸?shù)哪軌据^大，光生電荷分離不足，限制了該材料的光催化全分解水活性。?

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉崗團(tuán)隊(duì)前期圍繞PbTiO3鐵電材料研究了鐵電特性在光催化分解水中的作用，同時對層狀鐵電材料展開了深入探究，發(fā)現(xiàn)將Bi3TiNbO9片狀顆粒的表面終端層從(Bi2O2)2+層調(diào)變?yōu)?BiTiNbO7)2-層能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地光催化全分解水。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與合作者近期提出了利用梯度W摻雜在Bi3TiNbO9片狀顆粒的c軸方向引入額外的內(nèi)建電場助力光催化全分解水。相關(guān)研究成果以Gradient tungsten-doped Bi3TiNbO9?ferroelectric photocatalysts with additional built-in electric field for efficient overall water splitting為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。?

該研究在Bi3TiNbO9片狀顆粒中進(jìn)行梯度的W摻雜，引入額外的內(nèi)建電場，用于克服光生電子在(Bi2O2)2+層和(BiTiNbO7)2-層之間的勢壘，將光生電子激發(fā)到基面{001}晶面，從而打破層狀Bi3TiNbO9光催化材料全分解水的瓶頸。其基本原理是施主摻雜劑可以有效增加光催化劑中自由電子的數(shù)量，從而縮小費(fèi)米能級和導(dǎo)帶底位置的差值。當(dāng)施主摻雜劑從體相到表面呈現(xiàn)濃度從低到高的梯度分布時，材料的費(fèi)米能級和導(dǎo)帶底的差值會出現(xiàn)連續(xù)縮小的現(xiàn)象，形成促進(jìn)光生電子由體相向表面遷移的內(nèi)建電場。表面光電壓光譜表明Bi3TiNbO9中的光生電子沿c軸方向遷移較慢，引入額外的內(nèi)建電場之后，光生電子向表面?zhèn)鬏斔俾试黾?，從而出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)表面光電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)信號的現(xiàn)象，并且W摻雜Bi3TiNbO9的表面光電壓信號衰減到0的時間延長，說明電荷分離效率增加（圖1）。光催化全分解水測試發(fā)現(xiàn)W摻雜能夠有效提升Bi3TiNbO9的活性，并且當(dāng)W摻雜濃度為5%時，活性達(dá)到最高值，與摻雜濃度飽和相關(guān)。然而，材料的表面終端層對光催化全分解水的穩(wěn)定性起著決定性作用，當(dāng)將W摻雜Bi3TiNbO9的表面終端層由(Bi2O2)2+層調(diào)整為鈣鈦礦層時，光催化活性和穩(wěn)定性明顯提升，活性相比于原始樣品提高一個數(shù)量級（圖2）。?

相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計劃等項(xiàng)目的資助。

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