利用太陽光照射光催化劑分解純水制取氫氣（ps：H2：O2摩爾比= 2:1），將太陽能轉(zhuǎn)化為可儲存和運輸?shù)臍淠?，是實現(xiàn)“液態(tài)陽光"能源計劃理想的方法之一。關(guān)于光催化分解水能否實用化，現(xiàn)階段存在兩大挑戰(zhàn)：①.光催化劑的量子效率②.光催化劑的響應(yīng)波長的拓展。

對于以上的兩大挑戰(zhàn)，任何一項的突破足以轟動業(yè)界。2006年，東京大學K.Domen課題組和長岡技術(shù)科學大學Y.Inoue課題組發(fā)現(xiàn)的 GaN：ZnO固溶體和具有核殼結(jié)構(gòu)的RhCrOx助催化劑的相關(guān)研究成果刊登于各大權(quán)wei雜志，該材料打破了光催化劑全分解水材料不能響應(yīng)400nm入射光的偏見， 在Nature中以一篇brief的形式，宣告了光催化全分解水材料可以響應(yīng)可見光。

近日，K.Domen課題組又將SrTiO3這種材料的量子效率提高到接近100%（350，360nm波長響應(yīng)），再次告訴業(yè)界，接近100%的量子效率（全分解水效率）是可能的。

一、SrTiO3材料(非可見光響應(yīng)系列)的進化時間線（以breakthrough研究為例，以論文發(fā)表時間為線）

1980年，SrTiO3粉末被發(fā)現(xiàn)能夠全分解水

2009年，SrTiO3被發(fā)現(xiàn)在低價元素摻雜（Na，Ga）的情況下能夠高效分分解水

2016年，通過低價態(tài)元素dope促進SrTiO3活性的提高得到進一步證實，該研究豐富了dopant的種類（包括本論文中的Al元素）

2016年，Li can團隊發(fā)現(xiàn)了SrTiO3粉末上的面間電荷分離效果。

2016年，通過flux法偶然（Al doped是偶然）合成了高結(jié)晶性的Al dopedSrTiO3，SrTiO3的分解水活性得到了進一步的提高。

2018年，F(xiàn)lux法制得的Al doped SrTiO3粉末被固定在基板上，在戶外太陽光照射下研究進行實用化的檢討。

2018年，通過MoOx/RhCrOx助催化劑的共loading，Al doped SrTiO3的量子效率被提高到69%（at 365nm）。

2019年，Al doped SrTiO3經(jīng)過了1000h的穩(wěn)定性測試。

二、本論文中的要點匯總

如Figure1所示，助催化劑量和擔持方法優(yōu)化后的Al doped SrTiO3展現(xiàn)了接近于100%的量子效率（350，360nm波長響應(yīng)）。雖然當入射光的波長為370nm，380nm時，量子效率有所下降，但是考慮該材料在370，380nm的吸收光量，其還是展現(xiàn)了較高的能量轉(zhuǎn)化率。論文中圍繞著其高活性的原因進行了相關(guān)的討論。

Figure 1. 助催化劑量和擔持方法優(yōu)化后的Al doped SrTiO3的量子效率與材料的吸光特性

① . Al的摻雜減少了SrTiO3中的Ti3+缺陷

如鏈接論文中闡述的那樣，SrTiO3中存在成為電子和空穴再復合中心的Ti3+缺陷，低價態(tài)元素的引入更像是置換了其中的Ti3+（這是一個為了更方便的理解的比喻句）。

② .熔鹽法的處理，讓Al doped SrTiO3獲得了更高的結(jié)晶性

如鏈接論文中XRD圖所示，熔鹽法處理過的SrTiO3比未處理的樣品,在XRD pattern中呈現(xiàn)了更為尖銳（窄半峰寬）peak。較高的結(jié)晶性減少了顆粒與顆粒之間的晶界等缺陷，從而更利于電子和空穴移動到樣品表面。

Figure 2. Al doped SrTiO3 在不同催化劑分散條件下的分解水活性

③ .獲得的單結(jié)晶Al doped SrTiO3露出了獨立的氧化反應(yīng)面和還原反應(yīng)面

2016年，李燦院士團隊通過水熱法制備了面選擇性露出的SrTiO3，該研究再次證明了不同面露出對于催化劑活性提高的重要性。本論文中的Al doped SrTiO3，像Figure 3中所示，也露出了和面。通過對Rh離子的還原析出site，以及Co離子氧化析出site的確認，發(fā)現(xiàn)了該材料的氧化還原site是獨立的。露出面的不同，造成了局部的陰陽離子不對稱，使得不同面具有不同的費米能級。就像solar cell中的p-n junction那樣，如Figure 4中所示，相鄰的面之間會形成局部的電勢差，對于激發(fā)了電子和空穴具有一定的整流作用。這也是其展現(xiàn)高活性的原因之一。

Figure 3. Rh (0.1 wt%)/Cr2O3 (0.05 wt%)/CoOOH (0.05 wt%) 擔持 Al doped SrTiO3的TEM圖

④ .RhCrOx核殼結(jié)構(gòu)助催化劑和CoOOH的并用

Rh是高效的析氫助催化劑，而CrOx覆蓋又能抑制其表面發(fā)生的析氫逆反應(yīng)。通過光電析出的方法，讓Rh和CrOx析出在Al doped SrTiO3的面，如Figure 2所示，選擇性析出在面的Rh和CrOx，比隨機分散的Rh和CrOx活性高出兩倍。另外，當析氧助催化劑CoOOH選擇性的分散在面的時候，其量子效率接近了100%。所以，析氫（+防止逆反應(yīng)的CrOx）和析氧催化劑被選擇性的負載在Al doped SrTiO3的還原/氧化面，更加協(xié)調(diào)了電子和空穴的析氫析氧反應(yīng)。

另外①－④中不僅解釋了Al doped SrTiO3高效的原因，也解釋為什么Flux法合成的Al doped SrTiO3在選擇性的擔持了Rh (0.1 wt%)/Cr2O3 (0.05 wt%)/CoOOH (0.05 wt%) 之后，其活性遠高于水熱法合成的SrTiO3（露出）。①－④可能就是其量子效率接近100%的原因了（缺一不可）。

三、該研究的意義

在現(xiàn)階段，人工光合成雖然不能像光合作用那樣，通過復雜的蛋白構(gòu)造實現(xiàn)吸收光的高效利用。但是，本論文中的材料擁有簡單的結(jié)構(gòu)，并且具有相當?shù)牧孔有省Ｖ皥蟮肋^Ta3N5和Y2TiO5S2，他們的吸光可達600nm和640nm，并且能夠全分解水，如果他們能夠展現(xiàn)出本文材料的量子效率，液態(tài)陽光真的能夠?qū)崿F(xiàn)。

（來源：微信公眾號“納米人" ID：nanoer2015 作者：原著丨堂免一成 團隊（KazunariDomenet al.） 解讀丨Ceria）侵刪