金屬所提出增強極性光催化材料性能新思路

　　光催化技術在能源利用、環境保護等領域具有廣闊應用前景。光催化過程可大致劃分為光能吸收、光生電荷分離和表面反應三個主要步驟，其中光生電荷能否有效分離直接制約著整個光催化過程的效率。通過材料設計為光生電荷遷移提供足夠驅動力，可有效提高光生電荷分離效率，增強材料光催化效率。近年來，極性光催化材料研究得到迅速發展。由於其正負電荷中心不重合，極性光催化材料自身的內建電場為光生電子與空穴的分離提供了驅動力，因而可能獲得高效光催化能力。

　　在眾多光催化材料中，Aurivillius型氧化物由於具有合適的能帶位置和豐富的元素組成，引起了科研人員的關注。通常情況下，Aurivillius型氧化物材料指Bi系二元金屬氧化物層狀鈣鈦礦結構材料，由[MO₆]^2-鈣鈦礦片層（M代表其他金屬元素）和[Bi₂O₂]²⁺螢石片層交替排列堆疊形成。Aurivillius型氧化物是一種極性材料，有利於光生電子與空穴的分離。同時，層狀堆疊結合方式使其晶格易於在堆疊方向發生變形，為其自身內建電場的調控與光催化效率的提升帶來可能。

　　近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室環境功能材料研究部研究員李琦提出，晶格調控可能成為一種增強極性光催化材料性能的新思路。在可見光光催化材料Bi₂MoO₆研究中，李琦團隊發現通過改變Aurivillius型光催化材料極性方向的晶格常數，材料的光催化性能能夠得到顯著增強。研究通過DFT理論計算預測了Bi₂MoO₆極性方向晶格常數b的變化對材料偶極矩的調控規律。由於Bi₂MoO₆晶體晶格常數b的變化同時會帶來晶格原子相對位置的弛豫，與直觀感受相反，極性方向晶格常數b的減少反而會導致Bi₂MoO₆的偶極距增大，增強其極性，提高其內建電場強度。通過在溶劑熱合成過程中調整反應溶液pH值，控制鉍離子與鉬離子在成核、聚合以及脫水結合過程中的結晶行為，科研人員成功降低了Bi₂MoO₆的晶格常數b值，獲得了一系列具有不同晶格常數b值的Bi₂MoO₆納米光催化材料。二次諧波測試（SHG測試）結果證實，晶格常數b值越小Bi₂MoO₆材料的極性越大，也就越有利於光生電荷的分離。光電測試相關結果進一步表明，該系列Bi₂MoO₆納米光催化材料的光生電荷分離效率隨著其晶格常數b值的減少而提高。選取水中常見的模型汙染物抗生素、苯酚以及金黃色葡萄球菌進行光催化淨化測試，結果也呈現出與光電測試一致的規律，即材料對這些模型汙染物的光催化淨化效率隨著晶格常數b值的減少而增強。該研究表明，晶格調控能有效影響極性光催化材料的極性強弱，從而增強極性光催化材料性能。這為高效層狀極性光催化材料的設計提供了新思路。

　　相關研究成果發表在ChemSusChem上。該研究得到了國家自然科學基金、瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室基礎前沿創新項目以及山東省自然科學基金的資助，以及北京航空航天大學博士祝令剛的合作支持。

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　　圖1.(a)，Bi₂MoO₆晶格結構示意圖；(b),Bi₂MoO₆極性方向晶格常數b的變化對材料偶極矩影響的DFT理論計算結果。

 

圖2.Bi₂MoO₆系列樣品信的(a)光吸收特性、(b)Mott-Schottky圖和(c)能帶結構。

　　圖3.Bi₂MoO₆系列樣品的(a)二次諧波測試（SHG測試）結果、(b)光電流響應測試結果、(c)電化學阻抗測試結果與(d)IPCE測試結果。

　　圖4.Bi₂MoO₆系列樣品的(a)抗生素、(b)苯酚與(c)金黃色葡萄球菌可見光光催化淨化效果