大连化物所李灿院士、李仁贵研究员团队：钒酸铋光催化剂的形貌对称性对光生电荷分离的影响

中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、李仁贵研究员通过对钒酸铋晶体的形貌对称性调控，从暴露准等同晶面的八面体到暴露不等同晶面的截角八面体进行调变，发现光生电荷的空间分离特性与形貌对称性密切相关，并探究了形貌对称性对电荷分离性质的本质影响。

光生电荷分离是太阳能光（电）催化领域的核心问题之一，半导体光催化剂的暴露晶面和形貌结构是影响光生电荷分离性质的重要因素。前期，李灿院士团队发现了半导体光催化剂晶面间光生电荷分离现象，先后在多个半导体光催化剂上得到证实，已经发展成为本领域光催化剂构筑的普适性策略之一。然而，由于暴露晶面和形貌对称性同时影响电荷分离特性，低对称性光催化剂的形貌结构调控仍然具有挑战性，尤其是材料对称性低但形貌对称性高时光生电荷如何分离仍然还不清楚。另外，晶体形貌对称性对电荷分离的影响有待进一步深入探索。

最近，李仁贵研究员等以模型光催化剂BiVO₄为研究模型，在暴露准等同晶面的八面体BiVO₄晶体上光生电子和空穴可以在棱和晶面之间分离。通过合理的形貌对称性调控，从八面体晶体到暴露不等同晶面的截角八面体晶体，光生电子倾向于聚集在{010}晶面，而光生空穴倾向于迁移到{120}晶面，实现了光生电荷在{010}和{120}晶面间的分离。BiVO₄晶体的形貌调控提高了光生电荷分离效率和光催化水氧化活性。通过形貌对称性裁剪，可以调控晶体的内建电场，驱动不同的光生电荷分离。

本研究为以晶面工程策略为调控光生电荷分离提供了新的思路，对设计具有更高电荷分离效率的光催化剂具有指导意义。

详见：Yuting Deng, Hongpeng Zhou, Chenwei Ni, Fengke Sun, Wenchao Jiang, Ruotian Chen, Wenming Tian, Can Li, Rengui Li. Tailoring morphology symmetry of bismuth vanadate photocatalysts for efficient charge separation. Sci China Chem, 2023, 66, DOI: 10.1007/s11426-023-1753-5。该文将收录于2023 Emerging Investigator Issue。

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【通讯作者简介】

李仁贵 中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才。主要从事太阳能光催化能源转化相关研究，在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等刊物发表学术论文90余篇，论文他引7000余次。荣获国际催化大会“青年科学家奖”、中国催化新秀奖、辽宁青年科技奖“十大英才”、中国化学会“菁青化学新锐奖”、中国科学院青年创新促进会“优秀会员”、中国科学院优秀导师奖等荣誉。作为项目负责人主持科技部重点研发计划青年科学家项目、基金委重大项目课题、中科院先导项目课题等。现任中国可再生能源学会氢能专业委员会副主任、Chinese Chemical Letters高级编委、Nano Research、EcoEnergy、Chinese Journal of Catalysis和《应用化学》等期刊青年编委。

李灿 中国科学院大连化学物理研究所研究员、SABIC Chair Professor、中国科学技术大学化学与材料科学学院院长。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。现任洁净能源国家实验室（筹）主任、中国化学会催化委员会主任等。主要从事催化材料、催化反应、催化光谱表征及太阳能转化和利用科学研究，在国际上率先提出双助催化剂策略，发现半导体相结电荷分离机制，并在实验上第一次确认了晶面间光生电荷分离效应，成功实现了自然光合与人工光合体系的杂化等。其团队报道的光催化制氢量子效率保持世界纪录、光电催化分解水的效率引领世界水平，研究工作多次被美国C&EN新闻刊物和基金委内参等报道。

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