电子科大李严波等人Angew.：揭示Al掺杂SrTiO3光催化剂中载流子动力学！

研究内容

使用半导体光催化剂的整体水分解(OWS)是一种很有前途的太阳能燃料生产方法。实现高量子效率是光催化剂实现高太阳能-燃料效率的最重要先决条件之一。在最近的一项研究中( Nature，2020，58，411-414)，在铝掺杂的钛酸锶(SrTiO 3 :Al)光催化剂中实现了几乎100%的量子效率。

电子科技大学李严波和信州大学、東京大学Kazunari Domen 使用SrTiO 3 :Al作为模型光催化剂，通过全面的光致发光研究，通过研究载流子动力学，揭示了高效光催化分解水的标准。研究发现，Al掺杂抑制了SrTiO 3 中Ti 3+ 复合中心的产生，表面能带弯曲促进了电荷分离，原位光沉积的Rh/Cr 2 O 3 和CoOOH共催化剂实现了有效的电荷提取。通过抑制光载流子复合并建立简单的电荷分离和提取机制，即使在本征光载流子寿命非常短(亚纳秒)的光催化剂上也可以实现高量子效率。相关工作以“ Criteria for Efficient Photocatalytic Water Splitting Revealed by Studying Carrier Dynamics in a Model Al-doped SrTiO 3 Photocatalyst ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者利用光致发光(PL)光谱研究了该模型SrTiO 3 :Al光催化剂中高量子效率的机制。对添加/不添加Al的SrTiO 3 和添加/不加助催化剂修饰的SrTiO 3 :Al光催化剂的PL研究揭示了Al掺杂在抑制Ti 3+ 复合中心产生中的作用，而位点选择性助催化剂沉积可以实现有效的电荷分离和提取。

要点2. 作者发现尽管SrTiO 3 :Al光催化剂具有非常短(亚ns)的本征载流子寿命，但当满足以下两个主要标准时，仍然可以实现几乎100%的量子效率：1）通过消除光催化剂中的深能级陷阱态来抑制电荷复合；2）构建有效的电荷提取机制。当满足这两个标准时，光激发载流子可以有效地迁移，并且不会损失到析氢/析氧反应的活性位点。

要点3. 结果表明，亚纳秒的寿命足以维持OWS的高量子效率。因此，与其追求过长的载流子寿命，更重要的是消除陷阱态并建立有效的电荷提取机制。

该发现为高效光催化剂中的载流子动力学提供了新的见解，并揭示了高效水分解光催化剂的设计原理。

研究图文

图1.（a）SrTiO 3 和SrTiO 3 :Al空气中在375 nm激光激发下的室温PL光谱。（b）在带宽为20 nm的峰值位置(~450 nm)测量的TRPL衰减曲线。衰减曲线采用拉伸指数衰减拟合。（c）SrTiO 3 和（d）SrTiO 3 :Al的PL曲线的反褶积。光谱可以由以~2.4 eV(峰值1)和~2.8 eV(峰2)为中心的两个高斯峰很好地拟合。

图2. SrTiO 3 和SrTiO 3 :Al的Ti 2p（a）、O 1s（b）、Sr 3d（c）和Al 2p（d）的核级XPS。

图3.（a）SrTiO 3 和（b）SrTiO 3 :Al在375 nm激光激发下测量的温度相关PL光谱。（c）SrTiO 3 和（d）SrTiO 3 :Al在10K下测得的TRPL衰减曲线。衰减曲线采用拉伸指数衰减拟合。

图4. SrTiO 3 的载流子复合机制示意图。黑色箭头表示与SrTiO 3 中的Ti 3+ 缺陷相关的非辐射复合通道，而橙色和青色箭头分别表示与自陷激子(STE)和自陷空穴(STH)相关的辐射复合通道。

图5.（a）SrTiO 3 和（b）SrTiO 3 :Al在空气和真空中的室温PL光谱。（c）SrTiO 3 和（d）SrTiO 3 :Al在空气和真空下的TRPL衰减曲线。衰减曲线采用拉伸指数衰减拟合。

图6.（a）含有和不含有助催化剂的SrTiO 3 :Al空气中，在375 nm激光激发下的室温PL光谱。（b）在带宽为20 nm的~450 nm处测得TRPL衰减曲线。衰减曲线采用拉伸指数衰减拟合。（c）(Rh/Cr 2 O 3 ，CoOOH)/SrTiO 3 :Al在空气中测量的的PL光谱的反卷积在~2.4 eV(峰值1)和~2.8 eV(峰2)处的两个高斯峰。（d）(Rh/Cr 2 O 3 ，CoOOH)/SrTiO 3 :Al在空气和真空中测量的PL光谱。（e）(Rh/Cr 2 O 3 ，CoOOH)/SrTiO 3 :Al在空气和真空中的TRPL衰减曲线。（f）在真空下测量的(Rh/Cr 2 O 3 ，CoOOH)/SrTiO 3 :Al的PL光谱的反卷积为~2.1 eV(峰1)和~2.8 eV(峰值2)处的两个高斯峰。

文献详情

Criteria for Efficient Photocatalytic Water Splitting Revealed by Studying Carrier Dynamics in a Model Al-doped SrTiO 3 Photocatalyst

Ronghua Li, Tsuyoshi Takata, Beibei Zhang, Chao Feng, Qianbao Wu, Chunhua Cui, Zemin Zhang, Kazunari Domen,* Yanbo Li*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202313537

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