近年來，有許多報道表明混合陰離子化合物Bi2YO4Cl具有巨大的太陽能內(nèi)光電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換潛力，適用于太陽能水分解。但由于光生載流子(e?和h+)分離不佳，嚴(yán)重限制了其光催化活性。因此，通過引入適當(dāng)?shù)尿?qū)動力來引導(dǎo)光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移，可能有效提升Bi2YO4Cl的催化活性。
基于此，同濟大學(xué)徐曉翔課題組利用面工程技術(shù)對Bi2YO4Cl進行改性，制備出以{001}和{100}晶面為主的板狀單晶，其存在一種面輔助光生載流子分離機制。
根據(jù)密度泛函理論(DFT)的計算，由于Bi2YO4Cl的{001}和{100}面具有不同的能態(tài)，在晶體內(nèi)部建立了內(nèi)置電場；通過光沉積實驗和模擬分析表明，內(nèi)置電場提供了一個強大的電驅(qū)動力來分離和引導(dǎo)光生載流子遷移到不同的晶面。并且內(nèi)置的電場也是可調(diào)的，它的強度可以通過控制暴露的{001}和{100}面很容易進行修改。
此外，{001}面終止于Cl?，當(dāng)Cl?被部分去除以產(chǎn)生Cl?空位時，由于這些陰離子缺陷誘導(dǎo)的正電位，電子將強烈地捕獲在這些Cl?空位上；相反，{100}面被幾個離子終止(包括Cl?、O2?和Y3+)，表面部分配位的Y3+陽離子可以與OH?陰離子結(jié)合，而OH?陰離子成為捕獲空穴的低電位區(qū)域，{001}和{100}面的表面化學(xué)的這種差異可能是改善光生載流子分離的另一個原因。
由于小平面輔助光生載流子分離，這些Bi2YO4Cl單晶表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽能水分解反應(yīng)活性。具體而言，在最佳的反應(yīng)條件下，在420 ± 20 nm處，多晶面Bi2YO4Cl晶體的O2和H2析出量子效率分別達到7.51%和2.52%。同時，采用Z型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以多晶面Bi2YO4Cl晶體作為析氧光催化劑，SrTiO3: Rh作為析氫催化劑，可以實現(xiàn)高效穩(wěn)定全水分解。
此外，在1.23 VRHE和AM 1.5 G(100 mW cm?2)下，以多晶面Bi2YO4Cl晶體制備的光電極可獲得1.57 mA cm?2的高光電流密度，相應(yīng)的O2和H2法拉第效率接近100%。
Single-Crystalline Bi2YO4Cl with Facet-Aided Photocarrier Separation for Robust Solar Water Splitting. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.2c05768
