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Angew. Chem. :铁电极化调控Bi4NbO8Cl晶面选择性电荷分离促进可见光驱动的双功能水分解2023-12-16
开发具有高活性的双功能水分解光催化剂是缓解全球能源危机和实现可持续发展的重要途径。然而,低的电荷分离效率和缓慢的反应动力学极大地限制了太阳能转氢效率的进一步提高。将产氢和产氧反应活性位点空间分离在不同的晶面不仅有利于光生载流子各向异性的分离和迁移,还有助于后续对各自反应物的吸附和活化。

晶面结诱导的内建电场是促进晶面选择性电荷分离的有效策略,但仍未能快速克服体相异性电荷之间的库仑吸引力。贯穿整个晶体的铁电极化电场具有更强的电荷分离驱动力,可使光生电子和空穴在相反的晶面上富集。然而,极化电场驱动的电荷分离通常伴随着载流子在不同晶面上的迁移。因此,在晶面电势差和极化电场两种不同驱动力同时存在的情况下电荷迁移行为尚不明确。

在前期研究的基础上,中国地质大学(北京)黄洪伟教授团队通过调控Bi4NbO8Cl单晶纳米片的面外和面内极化,实现了极化电场和本征晶面内建电场的耦合,增强了光生电子和空穴的正交电荷迁移,同时促进了可见光驱动的催化水分解产氢和产氧。

 

 

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熔盐法制备的Bi4NbO8Cl单晶纳米片具有浓度可调的Na+离子。Na+离子通过取代[Bi2O2]2+层中的Bi3+离子促进了NbO6八面体中Nb5+阳离子在ab平面内的偏心,增强了具有立体化学活性的Bi3+的孤对电子效应,实现了Bi4NbO8Cl面内和面外极化的可控调节。

金属和金属氧化物选择性光沉积实验,瞬态吸收光谱(TAS)和密度泛函理论(DFT)计算表明,Ⅱ型晶面结的构建使得光生电子和空穴分别向{110}和{001}晶面迁移,形成了正交的电荷转移通道。然而,晶面内建电场的空间电荷区域不足以扩展到催化剂体相,减少了迁移到表面位点的载流子数量。铁电极化的增强进一步促进了体相电荷分离,并耦合晶面内建电场为电荷的正交迁移提供连续的驱动力,实现了更大的电荷分离效率。然而,过量的极化电荷破坏了晶面选择性电荷分离特性,反而促进了载流子的表面复合。

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最终,在可见光辐照下,适度极化的Bi4NbO8Cl单晶纳米片在牺牲剂存在的条件下实现了最优的H2和O2析出速率,分别为54.21和36.08 μmol·h-1

文信息

Ferroelectric Polarization Modulated Facet-selective Charge Separation in Bi4NbO8Cl Single Crystal for Boosting Visible-light Driven Bifunctional Water Splitting

Cheng Hu, Fang Chen, Hongwei Huang*

文章的第一作者是中国地质大学(北京)的博士生研究生胡程

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202312895

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