中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
鈦酸鍶（Strontium titanate，SrTiO3）作為典型鈣鈦礦型半導體材料，廣泛應用于精密電子、介電材料、先進(jìn)陶瓷及光催化功能材料行業(yè)。近日，中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所綠色化工研究部研究員段東平團隊在多面體SrTiO3微納米顆粒研究中取得進(jìn)展，研發(fā)出十八面體、二十六面體、中空籠狀等形貌SrTiO3，并用于鈷離子（Co2+）的光氧化，通過(guò)對SrTiO3顆粒形貌、晶體結構與光催化性能之間關(guān)系的闡明，提出提高SrTiO3光載流子利用效率的機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在Small上，并被選為卷首插畫(huà)論文。
半導體光催化材料具有只利用太陽(yáng)能即可在溫和條件下將光能轉變?yōu)榛瘜W(xué)能或電能的能力。半導體光催化材料的應用已逐步擴展到光催化降解有機物、光解水制氫、光催化二氧化碳還原及光伏電池等領(lǐng)域，應用潛力巨大。復雜形貌多面體SrTiO3是新興的半導體光催化材料，光載流子分離效率與光催化性能優(yōu)于常見(jiàn)的立方體SrTiO3，備受關(guān)注。目前，光載流子在多面體SrTiO3中的轉換與遷移機制尚未得到深入研究。
科研團隊利用變溫核磁共振與飛秒超快吸收光譜探測技術(shù)，研究了多面體SrTiO3的缺陷態(tài)（TiO2-x）形成原因和光載流子轉換、分布特性，提出新的光電子激發(fā)態(tài)模型。對于十八面體SrTiO3，（100）與（110）晶面的占比對自陷態(tài)激子（Self-trapped exciton，STE）的形成與解離頗具影響，當（100）與（110）面積比為1:1時(shí)，顆粒的光氧化還原活性最高（Nanoscale，2022，14，12875，DOI: 10.1039/d2nr02977d）。對于中空籠狀SrTiO3，籠狀內壁有眾多的金屬與氧原子空位，為STE的形成提供活性束縛位點(diǎn)，大量的STE提升了顆粒的光催化性能（The Journal of Physical Chemistry C，2022, 126, 15962，DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c04059）。在此基礎上，科研團隊與中科院理化技術(shù)研究所院士吳驪珠課題組合作，揭示了多面體SrTiO3中超低激子結合能的（Eb < 3 meV）亞穩態(tài)激子對的存在及各向異性分布特征，此特點(diǎn)在二十六面體SrTiO3中尤為顯著(zhù)?；谝陨咸匦?，多面體SrTiO3對水溶液中的Co2+表現出優(yōu)異的光氧化性能（Co2+ → Co3+）。同時(shí)，多面體SrTiO3/金屬復合顆粒也可用于高效光解水制氫材料的制備。上述研究為基于多面體SrTiO3微納米晶體的高效光催化材料設計提供理論指導，為多面體SrTiO3的應用提供新思路。
研究工作得到中科院過(guò)程工程研究所-優(yōu)美特光電新材料聯(lián)合實(shí)驗室項目、中科院光化學(xué)轉換與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題的支持。
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