太陽能驅(qū)動光催化全分解水是一種理想的、可持續(xù)的制氫技術(shù)。實現(xiàn)高的量子效率是光催化劑實現(xiàn)高太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率的先決條件之一。近期，東京大學(xué)/信州大學(xué)Domen教授團隊利用Al摻雜鈦酸鍶（SrTiO3:Al）光催化劑實現(xiàn)了接近100%的量子效率（Nature, 2020, 58, 411-414），證明了無電荷損失的全解水的可行性。這一工作為實現(xiàn)太陽能光催化水分解制氫的實用化奠定了基礎(chǔ)，也為研究高效光催化劑的性質(zhì)提供了理想的模型。通過研究這一模型催化劑的光生載流子動力學(xué)性質(zhì)，有望為高效水分解光催化劑的設(shè)計和改進提供指導(dǎo)。
近日，電子科技大學(xué)的李嚴(yán)波教授課題組與Domen教授團隊合作，以高效光催化劑SrTiO3:Al作為研究對象，利用光致發(fā)光（PL）光譜技術(shù)分析了這一模型光催化劑的發(fā)光機制和載流子動力學(xué)，探究了其實現(xiàn)高量子效率的內(nèi)在機制。該工作不僅揭示了高效光催化劑的設(shè)計原則，更重要的是發(fā)現(xiàn)在亞納秒的載流子壽命內(nèi)可以實現(xiàn)接近100%的量子效率，為光催化劑的載流子動力學(xué)提供了新的見解，對高效光催化材料的開發(fā)和設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
在真空下，對Al摻雜前后的SrTiO3的進行了時間分辨光致發(fā)光（TRPL）光譜分析，發(fā)現(xiàn)了摻雜后材料的本征載流子壽命提升了三倍（由0.025ns 提升到0.075 ns），說明Al摻雜有效抑制深能級缺陷（Ti3+）的產(chǎn)生。通過對比研究SrTiO3:Al在真空和空氣下的TRPL光譜，發(fā)現(xiàn)其載流子壽命在空氣下提高到了0.52 ns，這是由于空氣中氧分子在材料表面的化學(xué)吸附導(dǎo)致了能帶彎曲，形成表面空間耗盡層，使光生電子和空穴在空間上得以分離。在沉積助催化劑后，(Rh/Cr2O3,CoOOH)/SrTiO3:Al載流子壽命顯著降低，在空氣中僅有0.026 ns。表明了沉積在SrTiO3:Al不同晶面上的Rh/Cr2O3和CoOOH助催化劑能有效提取載流子。綜合以上結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在(Rh/Cr2O3,CoOOH)/SrTiO3:Al中，Al摻雜抑制了深能級缺陷產(chǎn)生，而空氣下的表面能帶彎曲和選擇性沉積的助催化劑為材料提供了一個良好的電荷分離和提取機制，使得其在極短的本征載流子壽命（亞納秒）下成功實現(xiàn)了接近100%的量子效率。 該工作通過對SrTiO3:Al這一模型光催化劑的分析研究，揭示了其高量子效率的內(nèi)在原因，總結(jié)了高效光催化的設(shè)計原則，發(fā)現(xiàn)了亞納秒的載流子壽命足以維持高量子效率的全解水反應(yīng)。因此，在光催化劑的研究中，與追求長的載流子壽命相比，更重要的是消除缺陷并建立高效的電荷分離提取機制。該工作為光催化劑的研究提供了新思路，對高效光催化劑的開發(fā)和設(shè)計具有重要意義。 論文信息 Criteria for Efficient Photocatalytic Water Splitting Revealed by Studying Carrier Dynamics in a Model Al-doped SrTiO3 Photocatalyst Ronghua Li, Tsuyoshi Takata, Beibei Zhang, Chao Feng, Qianbao Wu, Chunhua Cui, Zemin Zhang, Kazunari Domen, and Yanbo Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202313537
