第一作者：韦之栋
通讯作者：韦之栋，刘军营，上官文峰
通讯单位：上海交通大学，江苏大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125569
内建电场调控可以促进体相载流子定向迁移，从而提升光生载流子分离效率。本研究在前人与前期工作的基础上，合成了纳米磨角正方体SrTiO3，通过调控熔盐过程中SrCl2与SrTiO3的比例，发现了Al:SrTiO3中潜在的纳米层错现象，其引发的层错效应可能有利于调控Al:SrTiO3的内建电场，促进光生载流子的分离，从而显著提升Al:SrTiO3的光催化完全分解水性能。本工作揭示了Al:SrTiO3半导体光催化剂中层错现象的存在，也为内建电场调控促进载流子分离提供了一定的策略。
通过调控光催化剂的内建电场，已成为一种有效促进载流子定向迁移与分离的重要手段。我们前期的研究成果表明，催化剂微结构单元（如TiO6、VO4等）极化率的调控，可能是增强内建电场从而促进高效水分解的潜在策略之一。目前，Al:SrTiO3催化剂在光催化完全分解水中表现出优异的性能，受到了研究者的广泛关注，有望推动光催化完全分解水制氢在一定程度上实现规模化运行。然而，对于铝掺杂SrTiO3如何通过微观结构单元调控内建电场的机制有待于深入理解，尤其是其在纳米尺度下可能引发的结构效应对载流子动力学的具体影响尚未明确。尽管已有研究证实掺杂可调控SrTiO3的能带结构和载流子行为，但大多聚焦于元素取代或能带工程等，对于掺杂引发的纳米尺度结构畸变及其对内建电场与载流子分离的调控机制仍缺乏系统探索与研究。
本研究通过调控熔盐过程中SrCl2与SrTiO3的比例，发现了Al:SrTiO3中的纳米层错现象；进而揭示了其引发的层错效应可能通过调控TiO6微结构单元的极化率强化内建电场，为空穴捕获以平衡电荷极化效应的过程提供驱动力，从而有效促进载流子分离，提升Al:SrTiO3的光催化完全分解水性能。
X射线吸收谱结果表明，在引入Al2O3后，Ti的配位数发生了明显变化。Ti-Sr键和Ti-Ti键的配位数显著增加，这表明Ti、Sr和Al原子之间可能存在化学作用力。而Ti-O键的配位数没有显著变化，这表明AlO6的形成可能未进入TiO6结构，即Al未对Ti形成替位掺杂。由于SrTiO3中的Sr在高温环境下会导致一定程度的挥发，导致钛酸锶中的Sr缺位，因此在SrCl2熔盐过程中Al很可能以间隙掺杂的形式占据Sr的位置，实现Al2O3掺杂SrTiO3催化剂的合成。27Al的核磁共振波谱结果表明，Al在Al:SrTiO3中倾向于以AlO6结构的形式存在，AlO6的结构与TiO6相似，因此AlO6会可能倾向于形成结构中心，发挥类似于TiO6结构的作用。
图1. (a), (b), (c)Al:SrTiO3中Ti的X射线吸收谱结果以及(d), (e) 27Al的核磁共振谱学结果。
选区电子衍射结果表明，Al:SrTiO3催化剂具有明显的晶体特征，对其中四个特定区域进行了详细分析，结果表明，单个内部纳米颗粒的晶相基本未变；然而在相邻颗粒的界面处观察到了拉长的衍射条纹（图2(i)-图2(l)），这对应于层错现象的典型特征，表明了Al:SrTiO3中纳米层错现象的出现。
图2. Al:SrTiO3的透射电镜以及元素分布结果。
图3. 具有层错效应的Al：SrTiO3样品的飞秒瞬态吸收光谱结果及其潜在的机制。
对于样品进行飞秒瞬态吸收光谱分析，基于奇异值分解（SVD）的拟合结果可将其分为三个主要动力学过程：τ1过程可代表480 nm 处的基态信号，这归因于电子扩散过程。负吸收信号可归因于空穴的捕获，这与τ2过程有关。τ3过程对应于载流子的复合，其寿命可达2500 ps，相比于未出现层错效应的样品，其载流子寿命显著提升。相关过程如图3(f)所示。
图4. Al:SrTiO3系列光催化剂的完全分解水性能。
本研究系统探讨了熔盐法合成铝掺杂SrTiO3过程中SrCl2的作用机制，发现其可促进Al2O3从表面向体相的掺杂过程，并诱导γ-Al2O3向α-Al2O3的相变。随着SrCl2浓度的调控，材料的能带结构及费米能级得以连续调节。值得注意的是，当SrCl2与SrTiO3的摩尔比超过1.25时，首次观察到SrTiO3中出现罕见的堆垛层错效应，且该效应随摩尔比增大而增强，在10:1时表现尤为显著。该堆垛层错可有效调制铝掺杂SrTiO3内部的内建电场，通过调控TiO6八面体的极化能力，为Al3+捕获光生空穴提供驱动力，从而显著提升电荷分离效率。与未呈现堆垛层错的样品相比，具有该结构特征的催化剂中光生载流子寿命延长至2500 ps以上，全水分解光催化性能显著提高。本工作不仅阐明了纳米尺度SrTiO3光催化剂中堆垛层错效应的形成规律，揭示了其在内建电场调控中的关键作用，还提出了基于TiO6微观结构极化的载流子分离增强机制，为高效光催化剂的设计提供了新思路。
Unveiling the Enhanced Carrier Dynamics of Nanoscale Stacking Fault Effect in Al: SrTiO3 for Photocatalytic Overall Water Splitting. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2025: 378, 125569.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125569
韦之栋，2020年博士毕业于上海交通大学动力工程及工程热物理专业（导师：上官文峰 教授），上海交通大学博士后，现为上海交通大学智慧能源创新学院副教授，博士生导师（2023年7月至今）。长期从事太阳能光电催化领域的研究工作，获得上海市“超级博士后”激励计划资助。先后主持国家自然科学基金青年基金项目、中国博士后面上项目等多个研究项目，参与国家重点研发计划、上海市科技重大专项等多个课题。目前担任《Chinese Journal of Catalysis》等期刊青年编委。
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