齐鲁工业大学团队在层状铁电体光催化水分裂制氢领域取得进展

Connor 币安交易所app 2023-05-06 112 0

研究背景

铁电材料可以通过自发极化有效地分离光生载流子，被认为是很有前途的光催化水分裂制氢的催化剂之一。近年来，人们开发了各种用于水分裂制氢的铁电材料，如BaTiO 3 、PbTiO 3 和KNbO 3 等。然而，铁电体仍存在光吸收不足、表面活性差、比表面积小、载流子传输通道长等缺陷，严重限制了其光催化析氢效率。为了提高铁电体的催化性能，人们已经提出了一些半导体敏化、形貌调控和表面活性提升的策略。基于这些研究，人们发现具有宽的光吸收范围、大比表面积、高表面活性和短载流子传输通道的铁电材料可能表现出更高的效率。

二维SrBi 4 Ti 4 O 15 (SBTO)是一种满足上述要求的铁电材料。由于其独特的层状结构和能带特征，可以在保证优良的比表面积的同时加速光生载流子的分离。为了扩展SBTO光吸收范围，带隙工程（如构建P-N异质结，具体案例包括合成SnS2@SBTO、Ag2O@SBTO和SBTO@BiOCl等)是常用的手段。这种方案有利于光吸收和界面载流子迁移，但这是以牺牲材料的氧化还原电位为代价的。此外，虽然Z型或S型异质结可以保持复合催化剂的氧化还原能力，但它们忽略了关键的表面动力学问题。表面动力学决定了反应物在催化剂表面的吸附和解吸（分离），从而决定了催化反应速率。因此，在解决光吸收问题时，应更加关注表面动力学的影响。

贵金属有望改善铁电材料的表面动力学，同时拓宽光吸收，从而实现“一石二鸟”的效果。铂纳米颗粒在加速H+/H2的吸附和解吸方面优于Ag、Au等其他贵金属。同时，它可以在不降低反应体系氧化还原电位的情况下扩大光吸收范围。从理论上讲，铂纳米颗粒与二维SBTO的结合可以有效地解决上述挑战，充分发挥其优势，提高光催化效率。研究中发现，少量的Pt不足以提供光催化反应所需的活性位点。相反，过量的Pt可能会引起额外的电子-空穴复合中心。因此，研究SBTO-Pt复合材料的组分比，对发挥最佳的协同效应至关重要。

论文摘要

贵金属与铁电体进行组合是增强铁电体光催化水分裂性能的一种可靠策略。然而，贵金属的负载量与催化剂的协同效应密切相关。在本研究中，通过光还原法制备了一系列SBTO@Pt复合材料，具有优异的可见光吸收能力、强大的还原能力、适当的比表面积和更接近0的氢吸附吉布斯自由能。值得注意的是，SBTO@Pt-6 wt%复合材料在3小时内的光催化产氢量可达11700 μmol g -1 ，明显高于其他铁电材料的析氢速率。该研究提供了一个有价值和可行的方案，用于从水中生产氢气。

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第一作者：陈龙斌

通讯作者：杨耀东；饶伟锋

通讯单位：齐鲁工业大学

论文 DOI： 10.1016/j.seppur.2022.123058[1]

主要研究内容

本研究采用光沉积法成功构建了SBTO@Pt复合材料。2-4 nm的Pt纳米颗粒成功地沉积在SBTO (001）平面上。铁电极化和肖特基电场的共存促进了光生电子从SBTO纳米片向Pt纳米颗粒的转移。Pt的局域表面等离子体共振效应显著提高了SBTO@Pt复合材料的光吸收。其中，SBTO@Pt复合材料的光催化水分裂析氢速率增加了近10倍，达到3707.7 μmol g -1 h −1 。这项工作表明，金属改性层状铁电材料在制氢方面具有有趣的潜力。

图1 (a) SBTO纳米片的TEM图像；(b) SBTO纳米片的HRTEM图像(插图为选区电子衍射)；(c) SBTO@Pt复合材料的TEM图像(插图为Pt纳米颗粒的粒径分布)；(d) SBTO-Pt复合材料的HRTEM图像

图2 (a)不同Pt负载下SBTO的光催化析氢速率；(b) SBTO-Pt复合材料光催化循环稳定性；(c)不同铁电材料的光催化析氢速率的对比，其中有机化合物是牺牲剂

相关研究介绍

该团队长期从事铁电材料的催化特性研究。开发的新型铁电材料不仅可以用于光催化领域，还能吸收超声波实现催化。超声催化是一种绿色技术，能降解有机污染物，有助于解决全球环境问题。研究发现，压电系数与铁电相的超声催化性能存在显著相关性，为提高超声催化性能提供新思路。相关研究近期发表在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds [2] 上。

上述研究表明，铁电材料不仅能吸收光，还具有压电和热释电等多种效应，可以将多种外部能源转化为氢。另外，优异的催化效应不仅可以分解水产氢，还能用于降解水中的有机污染物，消灭有害菌等。考虑到以上优点，该研究团队分别在 Materials Today Chemistry [3] 和 Environmental Chemistry Letters [4] 上发表了两篇关于铁电材料多功能催化水分裂制氢和铁电材料用于抗菌的综述文章，全面分析了铁电催化剂在光、压电、热释电及多能耦合催化机制方面的研究，包括能带理论和屏蔽电荷效应。总结了近年来铁电材料在光、压电、热释电及多能耦合催化水分裂制氢和消灭有害菌方面的研究进展，并讨论了不同类型能源输入（如光能、机械能和温度梯度变化）的情况以及增强铁电多能催化的策略。最后，文章提出了铁电多能催化在材料设计、机理研究、表征技术、多能利用、工业化生产和理论计算等方面面临的挑战和未来前景。

图3 铁电材料具有吸收/转化多种能源并满足多种催化应用场景的能力。图中右边展示了分解水制氢，污水处理，消灭有害菌等应用场景

参考文献

[1]Longbin Chen, Pengqi Hai, Yaodong Yang, et,al. Highly efficient photocatalytic hydrogen production by platinum modified ferroelectric SrBi4Ti4O15. Separation and Purification Technology, 2023, 309: 123058-123065.

[2]Liang Wang, Yaodong Yang, Wei-Feng Rao, et, al. Effects of piezoelectric coefficients on the sonocatalytic performance of Na0.5Bi0.5TiO3-xSrTiO3 solid solution. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 949: 169872-169878.

[3]Longbin Chen, Yaodong Yang, Weifeng Rao, et,al. Multifunctional ferroelectric catalysis for water splitting:classification, synergism, strategies and challenges. Materials Today Chemistry, 2023, 30: 101486-101514.

[4]Ahsan Ali, Longbin Chen, Yaodong Yang. et al. Piezocatalytic removal of water bacteria and organic compounds: a review. Environmental Chemistry Letters 2023, 21: 1075–1092.

本文转载自公众号 JAD电介质学术交流

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