近日，国际知名学术期刊Angewandte Chemie International Edition以“Al³⁺-Dependent Anisotropic Facet Tailoring on SrTiO₃ Single Crystal for Photocatalytic Overall Water Splitting”为题在线报道了我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在太阳能分解纯水制氢领域的最新研究成果。

太阳能驱动的分解纯水制氢，被视为最具潜力的绿氢制取技术之一。光解水反应由光吸收、电荷分离和表面反应三个连续的过程组成，其中光生载流子的分离与传输作为连接光激发与表面催化反应的关键环节，面临着错综复杂的电荷迁移、传输、复合等多重路径，导致大量光生载流子在材料内部“迷路”复合，成为限制光解水反应效率的核心瓶颈。研究人员发现，具有各向异性晶面的单晶半导体如同构建了“电荷立交桥”，不同取向的晶面具备独特的电荷特性，可驱动电子与空穴分别驶向专属晶面，这种空间分离特性不仅能大幅降低电荷复合概率，更实现了氧化还原反应的分区进行，为突破效率瓶颈提供了一种有效的解决方案。然而，传统高温固相合成难以精确控制单晶材料的晶面结构，导致电荷传输通道受阻。在近期的研究结果中，研究团队通过熔盐辅助固相合成方法，揭示了微量Al³⁺掺杂对钛酸锶（SrTiO₃）单晶{111}晶面结构的调控作用（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6618），进而构建出高效的各向异性晶面结构。尽管如此，对于Al³⁺调控SrTiO₃单晶表面结构的深层机制仍然缺乏系统的理解。

针对上述问题，研究团队创新性地发展了一步熔盐法合成各向异性单晶的新策略，采用互熔性AlCl₃作为Al³⁺添加源，通过精确调控熔盐环境中Al³⁺浓度，率先实现了从{100}到{111}再到{110}晶面可控暴露的逐步演变过程，成功制备出系列高质量各向异性SrTiO₃单晶。结合Wulff构造模型和第一性原理计算，阐明了Al³⁺掺杂诱导的{111}晶面重构稳定机制，并从原子尺度揭示了Al³⁺浓度引起的晶面结构演变规律。在饱和Al³⁺掺杂充分抑制缺陷态的前提下，证实了各向异性晶面结构诱导的空间电荷分离成为活性提升的主导因素。所制备的具有明确{100}和{111}晶面结构的SrTiO₃单晶，在全分解水反应中展现出2621.85 μmol·h^-1优异的产氢速率，在350 nm波长下实现50.5%的表观量子效率，将太阳能制氢效率提升至国际先进水平。该研究不仅推动了熔盐法合成各向异性单晶材料和非平衡态晶面调控技术的发展，更为深入理解晶体结构与光催化全分解水活性之间的构效关系提供了新见解。

文章被编辑选为全分解水领域“Very Important Paper (VIP)”。该工作主要由材料科学与工程学院博士生张阳在刘鹏飞副教授、杨化桂教授等人的指导下完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、上海市基础研究特区等项目的支持。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202508114