​金属所刘岗JACS：氧空位加上铁电极化，促进PbTiO3光催化全水分解

铁电材料由于具有自发极化特性，为光生电荷的空间分离建立了内在电场，因此在光催化水分解领域具有广阔的应用前景。铁电极化通常伴随着一些固有缺陷，特别是氧空位，其对光催化作用的影响还远没有得到充分的探究。

基于此，中科院金属研究所刘岗课题组通过理论和实验相结合，研究了氧空位对单畴PbTiO₃光催化性能的影响。

理论计算结果表明，PbTiO₃中的氧空位在负极化面(001)上积累，并且其是将水氧化成O₂的活性位点，而无缺陷位点更倾向于将水氧化生成H₂O₂。此外，研究人员利用PbTiO₃/Rh/Cr₂O₃光催化全水分解反应，催化剂上氢气和氧气的产率分别为3.29 μmol h^-1和1.74 μmol h^-1；其在435 nm处的表观量子产率为0.025%，这优于单一未掺杂金属氧化物基光催化剂。

铁电极化的方向和大小对电荷分离有很大的影响，可以通过Au和MnO_x粒子的光化学共沉积来验证。结果表明，Au和MnO_x颗粒分别位于PbTiO₃的相反极化面上，揭示了单畴PbTiO₃上光生电荷的有效空间分离。然而，在退火过程中催化剂热稳定性状态的变化，随着相反畴向量的加入，单畴向多畴转变，极化强度降低。

因此，为了保证光生电荷的有效分离和高的光催化水分解活性，强烈需要强的铁电极化和单畴特性。由于极化强度与氧空位密切相关，屏蔽极化所需的氧空位含量随极化强度的降低而降低。这也证实由于需要极化屏蔽，即使处理温度继续提高，仍然难以实现完全消除氧空位。综上，该项工作阐明了单畴PbTiO₃光催化反应中氧空位和极化现象对性能的影响，为今后铁电材料在光催化领域的设计提供了有利的指导。

Photocatalytic Overall Water Splitting over PbTiO3 Modulated by Oxygen Vacancy and Ferroelectric Polarization. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c08177