Unveiling Charge Utilization Mechanisms in Ferroelectric for Water Splitting
Jie Zhang, Yong Liu, Thomas Dittrich, Zhuan Wang, Pengxiang Ji, Mingrun Li, Na Ta, Hongyan Zhang, Chao Zhen, Yanjun Xu, Dongfeng Li, Zhendong Feng, Zheng Li, Yaling Luo, Junhao Cui, Dong Su, Yuxiang Weng, Gang Liu, Xiuli Wang, Fengtao Fan*, Can Li*
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56359-y
Charge separation is a critical process for achieving high photocatalytic efficiency, and ferroelectrics hold significant potential for facilitating effective charge separation. However, few studies have demonstrated substantial photocatalytic activity in these materials. In this study, we demonstrate that in ferroelectric PbTiO3, surface Ti vacancy defects near the positively polarized facets impede photocatalytic performance by trapping electrons and inducing their recombination. To tackle this issue, we selectively grew SrTiO3 nanolayers on the polarized facets PbTiO3, effectively mitigating interface Ti defects. This modification establishes an efficient electron transfer pathway at the interface between the positively polarized facets and the cocatalyst, extending the electron lifetime from 50 microseconds to the millisecond scale and significantly increasing electron participation in water-splitting reactions. Consequently, the apparent quantum yield for overall water splitting achieves the highest values reported to date for ferroelectric photocatalytic materials. This work provides an effective strategy for designing advanced ferroelectric photocatalytic systems.
近日，DNL16太阳能研究部李灿院士，范峰滔研究员团队在铁电材料光催化水分解研究中取得了关键性突破。通过精准调控表面结构，首次揭示了限制铁电材料水分解效率的关键因素，并成功解决了铁电光催化剂光生电荷利用的“最后一公里”问题。实现了高效水全分解反应，表观量子效率（AQY）达 4.08%，实现了铁电材料光催化效率的最高纪录。
光催化水分解制氢是一种将太阳能高效转化为化学能的关键技术，同时也是减少化石能源依赖、缓解环境污染的重要途径。然而，在光催化反应过程中，光生电荷从飞秒时间尺度的生成到毫秒时间尺度的反应利用，其中会经历体相和表面复合，电荷复合是限制太阳能转换效率的主要瓶颈之一。因此，如何高效分离光生电子和空穴，以提升催化性能，始终是该领域亟待解决的核心挑战。铁电材料因其非中心对称结构，在体相存在退极化电场，可有效驱动光生电子和空穴向相反的极化表面分离，在电荷分离方面展现出巨大潜力。为突破电荷分离难题，李灿院士团队聚焦于电荷分离机制的研究，并创立了光生电荷空间追踪技术——表面光电压成像光谱（Angew, 2015），系统研究了助催化剂（Nano Lett., 2017）、相结（J. Phy. Chem. Lett., 2017）、表面缺陷（Nano Lett., 2018）、不对称光照（Nat. Energy, 2018）以及单畴铁电材料（Adv. Mater., 2020）等多种条件下的电荷分离行为。此外，他们进一步发展了光生电荷全时空表征技术（Nature, 2022），首次实现了在全时空域对光生电荷分离过程的动态追踪。在此基础上，他们在强电荷分离特性的铁电材料中观察到光催化水的全分解活性（Nat. Commun., 2022），进一步验证了铁电材料在高效光催化水全分解领域的应用潜力。
本研究针对铁电材料光生电荷分离与催化活性不匹配的问题，以单畴钛酸铅为研究模型，系统探讨了其表面结构及电荷动力学特性。研究揭示了PbTiO3正极化面存在Ti空位缺陷，这些缺陷作为电子捕获中心，导致电荷复合并限制光催化效率。空间和时间分辨光谱分析表明，SrTiO3的生长消除了正极化面Ti缺陷相关的捕获态，显著降低了光生电子的捕获与复合，使电子寿命从微秒量级延长至毫秒量级，到达反应活性位有效参与反应，从而提升了水分解效率。这一发现为设计高效铁电光催化材料提供了新的理论指导和研究思路。
相关研究近期进展以“Unveiling Charge Utilization Mechanisms in Ferroelectric for Water Splitting”为题，近日发表在《自然通讯》（Nature communications）上。该工作的第一作者是DNL1600组群博士生张杰。该研究得到了国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年科学家基础研究项目、中国科学院战略性先导科技专项、中央高校基本科研业务费专项资金以及新基石科学基金会通过“科学探索奖”等项目的资助。
