黄洪伟课题组Angew.：铁电极化协同晶面结，促进Bi4NbO8Cl光生电荷分离用于光催化水分解

太阳能驱动的光催化水分解制氢是缓解全球能源危机和环境问题的可持续途径。光催化水分解由两个半反应组成：质子还原和水氧化反应(分别产生H₂和O₂)。也就是说，催化剂的可用性源于导带(CB)和价带(VB)超过水的氧化还原电位，这严重限制了单组分光催化剂的应用。此外，缓慢的反应动力学和不可避免的逆反应极大地限制了太阳能-氢气转化效率的进一步提高。

近年来，铁电体，如BaTiO₃、PbTiO₃、BiFeO₃和CdS等具有高效的电荷分离效率，在光催化水分解方面表现出巨大的潜力。铁电极化诱导的内电场可以穿透非极性晶体，取代了电荷分离，特别是单畴铁电体和定向多畴铁电体，实现了电荷由内到外的连续电荷迁移。在目前关于铁电光催化剂的报道中，极化电场驱动的电荷分离通常伴随着载流子在各向异性方面的富集。然而，导致小面依赖的选择性电荷分离和极化主导的空间电荷分离的两种驱动力之间的相互作用和关系仍不清楚。因此，筛选一种结构良好的铁电单晶对解决上述难题具有重要意义。

基于此，中国地质大学(北京)黄洪伟课题组采用通量法制备了具有不同铁电极化强度的Na⁺掺杂Bi₄NbO₈Cl纳米片(BNOC-PN，N=1-5)，作为产H₂和O₂的双功能光催化剂。

具体而言，在[Bi₂O₂]²⁺层中的Bi³⁺被Na⁺取代，导致强烈的NbO₆八面体扭曲和Bi原子与赤道O原子之间额外的LPEs效应，使得BNOC的平面内和平面外极化同时增强；并且，随着极化的增强，催化剂体相中光生电荷的寿命也相应地增加，而表面转移过程中光生电荷的寿命呈先增减的趋势。这是因为过量的极化电荷会破坏BNOC的固有表面状态，削弱小面结诱导的定向电荷转移，加速表面电荷复合。

极化电场和小面内置电场的协同作用产生连续的电荷驱动力能够将更多的光生电子和空穴分别转移到{110}和{001}面。因此，在牺牲试剂存在下，具有中等极化强度的BNOC-P4纳米片对可见光驱动的光催化产H₂和O₂的活性最高，生产速率分别为54.21和36.08 μmol h⁻¹。

总的来说，这项工作揭示了铁电极化在调节光催化剂本征晶面选择性电荷转移过程中的作用，为设计铁电极化和小面结协同调节光电荷转移过程的高效光催化剂提供了理论指导。

Ferroelectric Polarization Modulated Facet-selective Charge Separation in Bi₄NbO₈Cl Single Crystal for Boosting Visible-light Driven Bifunctional Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202312895