https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109745

01 研究背景

随着能源需求急剧增长，氢能作为一种清洁高效的新能源备受关注。在众多产氢技术中，光催化产氢技术因其绿色经济性脱颖而出。钛酸锶（SrTiO₃）因其适宜的带边位置、出色的光化学稳定性、低廉的成本和高催化效率等优势，被视为具有巨大潜力的光催化剂材料。然而，SrTiO₃材料本身存在的一些内在因素，如宽带隙宽度造成的有限的光谱响应范围以及电荷载流子的快速复合等，限制了其在光催化水分解领域的实际应用。与此同时，钛酸钡（BaTiO₃）是研究最为广泛的铁电材料。如今，许多研究人员已开始关注BaTiO₃的应用，并利用其非中心对称进行压电催化。将SrTiO₃和BaTiO₃这两种结构和元素相似的化合物复合，可以利用它们不同的光催化和压电催化特性。压电行为和光电行为的协同作用将有望克服单个成分的局限，从而增强水分离反应，提高制氢效率。此外，对于压电辅助光催化的机理解释还需要进一步地研究。

02 文章简介

针对宽带隙半导体SrTiO₃的光催化产氢应用中的存在的问题，近日，宁波工程学院微纳材料与器件创新研究院梁钊博士、杨为佑教授与长沙理工大学李微教授合作，在国际期刊“Nano Energy”上发表了题为：“Highly-efficient photocatalytic hydrogen evolution enabled by piezotronic effects in SrTiO₃/BaTiO₃ nanofiber heterojunctions”的研究文章（DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109745）。该研究工作利用一步静电纺丝技术混合压电相BaTiO₃纳米颗粒，制备了SrTiO₃/BaTiO₃异质结复合材料纳米纤维。基于异质结构建和压电效应，促进载流子分离和输运，实现了高效光催化剂的研发。

03 研究亮点

（1） 首次报道了SrTiO₃/BaTiO₃异质结的压电辅助光催化氢进化反应（HER）；

（2） 本研究具有高效的压电辅助光催化活性，达到1950.2 μmol·g^-1·h^-1；

（3） 通过新颖的实验研究和理论计算相结合，深入探讨了压电作用对异质结带隙的影响。

04 图文解析

图1 (a) SrTiO3/BaTiO3(STO/BTO)光催化剂的制备过程示意图；(b-d) STO(a)、BTO(b)、STO/BTO-2(d)的扫描电子显微镜(SEM)图及其纤维/颗粒直径分布

图2 (a) 在不同煅烧温度下进行热处理前后的BaTiO3(BTO)纳米颗粒的X射线粉末衍射(XRD)图；(b) SrTiO3(STO)、BTO和STO/BTO的X射线粉末衍射(XRD)图；(c-d) STO/BTO-2中颗粒区域的振幅-电压的蝴蝶曲线(a)和相位-电压的电滞回线(b)

图3 (a-d) STO、BTO和STO/BTO的光催化、压电催化、压电光催化的氢气析出动力学曲线；(e) STO、BTO和STO/BTO的光催化、压电光催化的产氢速率；(f) STO/BTO-2在单通光滤光片下的有/无超声环境的产氢速率；(g) STO/BTO-2的压电光催化产氢循环性能测试；(h)最近报道的关于钙钛矿型催化剂的压电光催化产氢速率的简要总结

图4 (a-d) 在无(a)、有(b)外加电场的情况下，STO/BTO的计算带状结构和态密度(DOS)；(c) 有外加电场和无外加电场时，STO/BTO的导带最小值(CBM)和价带最小值(VBM)的比较；(b) STO/BTO的差分电荷密度。青色/黄色区域分别代表电子的扩散/积聚；(c) STO、BTO和STO/BTO的吉布斯自由能(∆GH_*)

图5 (a) STO/BTO在黑暗和光照10分钟下的DMPO-·OH信号；(b-c) STO/BTO的Ⅱ型(b)和Z型(c)异质结的光催化产氢的电荷分离、传输示意图；(d) STO/BTO异质结的压电光催化产氢的电荷分离、传输示意图