近日，我所李燦院士、范峰滔研究員等人在利用光電壓成像研究鐵電半導(dǎo)體光催化劑微納米尺度電荷分離過(guò)程方面取得新進(jìn)展，提出體電場(chǎng)分離光生電荷新機(jī)制。
在光催化過(guò)程中，提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的核心問(wèn)題是提高光生電子和空穴的分離效率，構(gòu)筑內(nèi)建電場(chǎng)是提高電荷分離的有效手段。鐵電半導(dǎo)體材料不同于普通半導(dǎo)體，其具有自發(fā)極化而產(chǎn)生鐵電電場(chǎng)。盡管鐵電材料內(nèi)部電場(chǎng)的理論值高達(dá)105 kV/cm，但是在實(shí)際光催化過(guò)程中的效率卻很低，提高鐵電光催化劑的電荷分離效率面臨巨大挑戰(zhàn)。
在本研究中，研究人員利用表面光電壓成像探討了PbTiO3單疇鐵電光催化顆粒中鐵電場(chǎng)在光生電荷分離方面的作用機(jī)制。研究表明，不同于傳統(tǒng)意義上的表面極化模型，鐵電自發(fā)極化引起的退極化體電場(chǎng)是光生電荷分離的主要驅(qū)動(dòng)力，決定電荷分離效率。在單疇的鐵電鈦酸鉛顆粒中，光生電子和空穴可以直接將電子和空穴分別分離到兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的{001}晶面上，而且電荷分離能力和光催化活性都隨著粒子沿極化方向的厚度增加而增加。而對(duì)于表面能帶彎曲，在大于一定空間電荷層厚度后，其對(duì)于電荷分離的貢獻(xiàn)趨于定值。這說(shuō)明，鐵電材料內(nèi)部的退極化場(chǎng)是電荷分離的主要驅(qū)動(dòng)力。該工作對(duì)鐵電光催化在微納尺度上的設(shè)計(jì)和提高電荷分離研究具有重要的理論指導(dǎo)意義。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部973項(xiàng)目、中科院能源化學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B）、科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。（文/圖 劉永）
