每周科技串“奖”｜大有可为的光催化材料

1972年，《Nature》发表一篇论文，提出一种利用二氧化钛电极光解水，从而产生氢气和氧气的方法，以二氧化钛为代表的光催化材料成为科学界的“宠儿”。

二氧化钛为什么能被光驱动？这要从它的结构说起。

二氧化钛是一种半导体，它的能级结构由能量较低的价带和能量较高的导带组成，价带和导带之间的能量差称为带隙能量。什么是价带、什么是导带呢？打个比方，价带好比河流的下游，导带好比河流的上游，电子就好比河流里的小船。当没有外加能量时，由于水流的作用，小船会停留在下游，即，当半导体材料处于基态时，电子全部分布在价带上。当小船得到了足够的能量开动起来，就能逆流而上，来到河流的上游。即，当半导体材料得到足够的能量，电子就能被激发，从价带跃迁到导带上，而所需要的这部分能量就是带隙能量。

如果有光照射到二氧化钛材料上，且光的能量大于或等于带隙能量，那么价带上的一部分电子就会被激发，跃迁到导带上，在导带上自由流动；而电子“跳”到导带上以后，价带上就留下了一个个空位。这个过程如果用专业的说法来描述，就是光催化材料受光激发，产生了光生电子和空穴。

接下来，光生电子和空穴会分布在材料表面的不同位置。空穴迫切地想要得到电子，因此具有了很强的氧化能力，而电子则表现出强烈的还原性。这就是二氧化钛能够在光照条件下使水分解的原因。事实上，材料的光吸收、光生电荷的体相分离、表面转移就是光催化的三个基本过程。

按照这个原理，光催化材料可以利用取之不尽的太阳能来电解地球上含量极其丰富的海水，从而“源源不断”地产生氢气和氧气，前景可谓十分诱人。但遗憾的是，光催化材料在实际应用中存在着固有缺陷。

其一是它的带隙能量与太阳光谱不匹配。光催化材料对光的吸收范围大多集中在紫外光波段，但是太阳光的能量大部分集中于400~600纳米的可见光波段，紫外光只占不到6%。这就是说，光催化材料对太阳能的利用并不算高效。

其二是光催化反应的效率还不够高。前面提到，光生电子和空穴会迁移到催化剂表面的不同位置，分别发生还原和氧化反应。但这只是最为理想的情况，事实上，它们还有可能在表面复合，重新结合在一起，这就会导致催化剂失活，并最终严重拉低光催化效率。因此，这个过程中需要想办法让光生电子和空穴快速分离到不同地方。

中国科学院金属研究所刘岗团队通过一系列基础研究，找到了解决这两个问题的一些办法。立项了基于“光催化材料的能带与微观结构调控”研究，他们发现，能带结构修饰剂在光催化材料晶粒内的空间分布是调控带隙进而整体改变光吸收范围的本质因素，由此提出利用原子结构通道促进扩散、利用间隙异质原子弱化强键来降低断键能的两类思路，使光催化材料能够吸收的光谱范围大大加宽。为了实现了光生电子与空穴的空间分离，他们研制出具有电荷短程迁移特征的二维光催化材料，并设计了含非饱和/饱和价态阳离子的核/壳结构光催化材料，突破了光生电子和空穴因迁移率的内在不匹配而产生的电荷分离限制。该项目于2021年11月被授予2020年度国家自然科学奖二等奖获奖成果。

该团队还实现了光催化材料的晶面选择性暴露，阐明了晶面特征与能带边位置、电荷表面转移的关联机制，为实现可控表面电荷转移奠定了基础。相关研究成果不仅有力地推动了高效太阳能驱动光催化材料的发展，还辐射到多个无机非金属功能材料研究领域。

（文：上海科学技术出版社《科学画报》副编审 顾淼飞 把关专家：重庆大学化学化工学院教授 李存璞）

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