K.Domen课题组又将SrTiO3这种材料的量子效率提高到接近100%(350,360nm波长响应),再次告诉业界,接近100%的量子效率(全分解水效率)是可能的。
一、SrTiO3材料(非可见光响应系列)的进化时间线(以breakthrough研究为例,以论文发表时间为线)
1980年,SrTiO3粉末被发现能够全分解水
2009年,SrTiO3被发现在低价元素掺杂(Na,Ga)的情况下能够高效分分解水
2016年,通过低价态元素dope促进SrTiO3活性的提高得到进一步证实,该研究丰富了dopant的种类(包括本论文中的Al元素)
2016年,Li can团队发现了SrTiO3粉末上的面间电荷分离效果。
2016年,通过flux法偶然(Al doped是偶然)合成了高结晶性的Al dopedSrTiO3,SrTiO3的分解水活性得到了进一步的提高。
2018年,Flux法制得的Al doped SrTiO3粉末被固定在基板上,在户外太阳光照射下研究进行实用化的检讨。
2018年,通过MoOx/RhCrOx助催化剂的共loading,Al doped SrTiO3的量子效率被提高到69%(at 365nm)。
2019年,Al doped SrTiO3经过了1000h的稳定性测试。
二、本论文中的要点汇总
如Figure1所示,助催化剂量和担持方法优化后的Al doped SrTiO3展现了接近于100%的量子效率(350,360nm波长响应)。虽然当入射光的波长为370nm,380nm时,量子效率有所下降,但是考虑该材料在370,380nm的吸收光量,其还是展现了较高的能量转化率。论文中围绕着其高活性的原因进行了相关的讨论。
Figure 1. 助催化剂量和担持方法优化后的Al doped SrTiO3的量子效率与材料的吸光特性
① . Al的掺杂减少了SrTiO3中的Ti3+缺陷
如链接论文中阐述的那样,SrTiO3中存在成为电子和空穴再复合中心的Ti3+缺陷,低价态元素的引入更像是置换了其中的Ti3+(这是一个为了更方便的理解的比喻句)。
② .熔盐法的处理,让Al doped SrTiO3获得了更高的结晶性
如链接论文中XRD图所示,熔盐法处理过的SrTiO3比未处理的样品,在XRD pattern中呈现了更为尖锐(窄半峰宽)peak。较高的结晶性减少了颗粒与颗粒之间的晶界等缺陷,从而更利于电子和空穴移动到样品表面。
Figure 2. Al doped SrTiO3 在不同催化剂分散条件下的分解水活性
③ .获得的单结晶Al doped SrTiO3露出了独立的氧化反应面{110}和还原反应面{100}
2016年,李灿院士团队通过水热法制备了{110}{100}面选择性露出的SrTiO3,该研究再次证明了不同面露出对于催化剂活性提高的重要性。本论文中的Al doped SrTiO3,像Figure 3中所示,也露出了{110}和{100}面。通过对Rh离子的还原析出site,以及Co离子氧化析出site的确认,发现了该材料的氧化还原site是独立的。露出面的不同,造成了局部的阴阳离子不对称,使得不同面具有不同的费米能级。就像solar cell中的p-n junction那样,如Figure 4中所示,相邻的面之间会形成局部的电势差,对于激发了电子和空穴具有一定的整流作用。这也是其展现高活性的原因之一。