中国科学院过程工程研究所段东平团队Small：不同熔盐对Al掺杂的圆角多面体SrTiO3结构及其水分解性能的影响

第一作者：王楚瑜

通讯作者：贾奇博，段东平

单位：中国科学院大学，中国科学院过程工程研究所

在光催化水分解制氢领域，SrTiO₃作为一种宽禁带半导体材料，因其稳定的化学性质和良好的光催化性能而备受关注。然而，为了提升其光催化效率，需要解决光生载流子（电子和空穴）的分离、迁移和利用效率低的问题，这就要求SrTiO₃具备暴露各向异性晶面以及尽可能低的内部缺陷密度。

近日，中国科学院过程工程研究所段东平研究员团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Effect of Different Molten Salts on Structure and Water Splitting Performance of Al-Doped Fillet Polyhedral SrTiO₃”的文章。该团队致力于研发一系列新颖的SrTiO₃光催化剂，本文报道的催化剂同时表现出各向异性晶面并保持最小内部缺陷密度，以期显著增强其在光催化水分解制氢反应中的效能。

这篇文章探讨了SrTiO₃光催化剂在不同熔盐（NaCl和SrCl₂）以及Al³⁺掺杂条件下的合成，并深入研究了这些条件对SrTiO₃:Al晶面特性、晶体缺陷及其光催化水分解性能的影响。

通过使用SrCl₂作为助溶剂，成功合成了具有规则圆角多面体形态的SrTiO₃:Al颗粒，这些颗粒暴露出{100}、{110}和高指数{112}晶面。通过EPR体相技术与XPS表面技术揭示：相比用NaCl合成的不规则SrTiO₃:Al颗粒，这些规则圆角多面体SrTiO₃:Al颗粒拥有更高的表面活性和显著较低的内部缺陷密度。这表明，熔盐的选择对于控制SrTiO₃:Al的晶面调控和减少内部缺陷至关重要。

利用DFT模拟计算证实，在该SrTiO₃不同晶面之间的功函数差异能够形成强大的内置电场，促进光生载流子的有效分离。特别是其{100}晶面和{112}晶面之间的电场有助于电子集中于{100}晶面上，而空穴则集中在{110}和{112}晶面上。{110}晶面起到了连接其他两个晶面间电荷传输的桥梁作用，从而提高了光催化过程中电荷的利用效率。

实验结果显示，经过SrCl₂处理并负载助催化剂RhCrOx/CoOx后，SrTiO₃:Al的平均析氢速率比使用NaCl处理的样品高出64倍，达到了255 μmol h^-1。这说明优化后的SrTiO₃:Al不仅在结构上更加优越，而且在实际应用中展现了出色的光催化水分解能力。此外，随着助催化剂含量的增加，平均氢气演化速率进一步提高至319 μmol h^-1，相应的量子产率为3.5%（365 nm），推算得出太阳能到氢能转换效率为0.181%。

这项工作不仅展示了如何通过调控SrTiO₃的晶体结构和表面特性来增强其光催化性能，还揭示了高指数晶面在促进光生载流子分离中的重要作用。这些发现为未来设计更高效的光催化剂提供了新的思路和技术途径，特别是在可再生能源生产和环境保护方面有着广阔的应用前景。同时，该研究也为理解纳微尺度的复杂界面现象和微观结构与宏观性能之间的关系提供了宝贵的数据支持。

Effect of Different Molten Salts on Structure and Water Splitting Performance of Al-Doped Fillet Polyhedral SrTiO₃

段东平，冶金工程博士，化学工程博士后，现任中国科学院过程工程研究所研究员、战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心资源利用及环境优化课题组组长，同时担任中国科学院大学岗位教授及博士生导师。段东平研究员及其团队专注于我国复杂难以利用的金属矿产资源的研究与开发，基于元素特性与成矿规律的关系，深入探讨分子结构成因及其调控机制。

近年来，研究团队通过一系列核心技术解决了低品位金属矿物、多金属共生矿物、冶金二次资源、盐湖特种功能材料、绿色能源光电转换功能材料等领域内的一些科技难题。此外，段东平研究员特别关注天青石矿清洁生产和锶系列产品开发，积极推动多面体钛酸锶光解水制氢技术的发展。