近日，iChEM研究人员、中科院大连化学物理研究所李灿院士和李仁贵博士等人在太阳能光催化中光生电荷分离研究取得了新进展，相关结果发表在能源环境领域的国际权威期刊《Energy & Environmental Science》上。(Linchao Mu, Rengui Li and Can Li et al., Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c6ee00526h)
因为世界范围的能源和环境问题，近年来光催化分解水制氢和还原二氧化碳的研究在国际学术界引起广泛的重视。光催化分解水被认为是最具挑战的难题，一旦取得突破，有望影响世界能源格局。光生电荷分离问题是太阳能光催化分解水研究的关键科学问题之一，开发新的策略以提升光生电荷分离效率一直是这个领域研究的重点。
李灿院士研究团队长期致力于太阳能光化学转化中的基础科学问题研究，相继在国际上首次提出了“异相结”以及“晶面间电荷分离”等促进光生电荷分离的策略，受到了学术界的广泛关注。尤其是近年来提出的晶面间光生电荷分离策略可以有效地实现将氧化和还原反应位点在空间上分离构筑，从而大幅度提升了光催化效率，已经成功应用于多种半导体材料，逐渐发展成为一种普适性的高效光催化剂体系构筑策略。（Nature Commun., 2013，4, 1432；Energy Environ. Sci., 2014, 7,1369；Eur. Chem. J, 2015, 21, 14337; J. Catal., 2016, 337, 36; ACS Catal., 2016, 6, 2182）。然而该种策略存在的一个挑战是，对于低对称性的单晶，晶体结构决定了其更容易暴露各向异性的晶面，更容易实现晶面间光生电荷分离，而对于高对称性的晶体（如立方相单晶）的光生电荷分离问题始终没能得到解决。
针对这一问题，该研究团队以立方相的SrTiO3光催化剂作为研究对象，创造性地利用对半导体纳米晶的形貌工程调变策略，可控合成了从暴露单一{001}晶面的六面体SrTiO3单晶到同时暴露{001}和{110}晶面的十八面体SrTiO3单晶，实现了对其形貌对称性的调变。 有意思的是，研究发现对于六面体单晶由于暴露各向同性的晶面，无法实现光生电荷的有效分离，而当将六面体形貌调变至十八面体形貌时，光生电子和光生空穴则分别有效地分离至{001}和{110}晶面上，成功实现了光生电荷的空间分离。进一步利用原位光诱导合成的策略，将氧化和还原助催化剂分解可控构筑至不同晶面上，发现其光催化分解水的量子效率可提升5倍以上。进一步研究发现光催化效率的提升不仅归因于对晶体形貌对称性的调变实现了光生电荷的有效分离，同时由于将氧化和还原反应位点构筑在空间上分离的不同晶面上，有效地将氧化和还原反应分开，有效地抑制了氢氧逆反应的发生，从而大幅度提升了光催化效率。该工作进一步完善并发展了晶面间光生电荷分离理论，为理性设计合成半导体基光催化体系以实现高效光催化分解水提供了新的策略。
该研究工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金和教育部能源材料化学协同创新中心的资助。
（文/图 李仁贵、慕林超）
原文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ee/c6ee00526h#!divAbstract
