太陽能驅(qū)動(dòng)的光催化水分解是一種生產(chǎn)綠色氫氣的可持續(xù)技術(shù)。在過去的幾十年里，許多半導(dǎo)體光催化劑被開發(fā)出來來實(shí)現(xiàn)整體水裂解(OWS)。在實(shí)現(xiàn)光催化劑高太陽能-燃料(STF)效率方面存在兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：一個(gè)是吸收波長(zhǎng)范圍的擴(kuò)展，另一個(gè)是提高可用波長(zhǎng)下的量子效率。最近，在鋁摻雜鈦酸鍶(SrTiO3: Al)光催化劑上實(shí)現(xiàn)了幾乎100%的量子效率，這是采用Al摻雜的方法，通過消除天然阱態(tài)來抑制SrTiO3: Al光催化劑中的體重組。

此外，由于不同晶面間功函數(shù)差異引起的各向異性電荷輸運(yùn)，光生電子和空穴被有效地分離。同時(shí)，通過選擇性地將Rh/Cr2O3和CoOOH助催化劑分別沉積在富電子和富空穴面，快速提取電子和空穴，能夠在不產(chǎn)生電荷積累的情況下進(jìn)行HER和OER。因此，該模型光催化劑證明了實(shí)現(xiàn)100%量子效率的可行性，這可以為OWS光催化劑的設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)。

基于此，電子科技大學(xué)李嚴(yán)波和日本信州大學(xué)Kazunari Domen等通過研究模型SrTiO3: Al光催化劑的載流子動(dòng)力學(xué)，揭示了其高量子效率的內(nèi)在原因，并提出了高效水分解光催化劑的設(shè)計(jì)原理。

具體而言，通過利用光致發(fā)光(PL)光譜對(duì)Al摻雜/不摻雜SrTiO3和SrTiO3: Al光催化劑加/不修飾助催化劑的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)在SrTiO3: Al中，隨著Al摻雜、表面帶彎曲和Rh/Cr2O3與CoOOH共催化劑的位點(diǎn)選擇性沉積，Ti3+重組中心被抑制，光生電子/空穴可以被空間分離并轉(zhuǎn)移到不同的位點(diǎn)，并參與后續(xù)的氧化還原反應(yīng)。

對(duì)SrTiO3: Al的研究和分析表明，具有短內(nèi)在載流子壽命的SrTiO3: Al光催化劑能實(shí)現(xiàn)幾乎100%的量子效率主要是因?yàn)槠錆M足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1.通過消除深層陷阱狀態(tài)抑制電荷重組；2.構(gòu)建了一個(gè)有效的電荷提取機(jī)制。當(dāng)滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，光生載流子可以有效地遷移到反應(yīng)活性位點(diǎn)而不發(fā)生損失。

總的來說，該項(xiàng)工作為理解高效光催化劑中的光生載流子動(dòng)力學(xué)提供了新的視角，并揭示了高效水分解光催化劑的設(shè)計(jì)原理，有助于加快太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣的實(shí)際應(yīng)用。

Criteria for efficient photocatalytic water splitting revealed by studying carrier dynamics in a model Al-doped SrTiO3 photocatalyst. Angewandte Chemie International Edition, 2023.DOI: 10.1002/anie.202313537