过程工程所等在多面体钛酸锶光电机理与应用研究中取得进展

　　颗粒在线讯：钛酸锶（Strontium titanate，SrTiO3）作为典型钙钛矿型半导体材料，广泛应用于精密电子、介电材料、先进陶瓷及光催化功能材料行业。近日，中国科学院过程工程研究所绿色化工研究部研究员段东平团队在多面体SrTiO3微纳米颗粒研究中取得进展，研发出十八面体、二十六面体、中空笼状等形貌SrTiO3，并用于钴离子（Co2+）的光氧化，通过对SrTiO3颗粒形貌、晶体结构与光催化性能之间关系的阐明，提出提高SrTiO3光载流子利用效率的机制。相关研究成果发表在Small上，并被选为卷首插画论文。

　　半导体光催化材料具有只利用太阳能即可在温和条件下将光能转变为化学能或电能的能力。半导体光催化材料的应用已逐步扩展到光催化降解有机物、光解水制氢、光催化二氧化碳还原及光伏电池等领域，应用潜力巨大。复杂形貌多面体SrTiO3是新兴的半导体光催化材料，光载流子分离效率与光催化性能优于常见的立方体SrTiO3，备受关注。目前，光载流子在多面体SrTiO3中的转换与迁移机制尚未得到深入研究。

　　科研团队利用变温核磁共振与飞秒超快吸收光谱探测技术，研究了多面体SrTiO3的缺陷态（TiO2-x）形成原因和光载流子转换、分布特性，提出新的光电子激发态模型。对于十八面体SrTiO3，（100）与（110）晶面的占比对自陷态激子（Self-trapped exciton，STE）的形成与解离颇具影响，当（100）与（110）面积比为1:1时，颗粒的光氧化还原活性最高（Nanoscale，2022，14，12875，DOI: 10.1039/d2nr02977d）。对于中空笼状SrTiO3，笼状内壁有众多的金属与氧原子空位，为STE的形成提供活性束缚位点，大量的STE提升了颗粒的光催化性能（The Journal of Physical Chemistry C，2022, 126, 15962，DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c04059）。在此基础上，科研团队与中科院理化技术研究所院士吴骊珠课题组合作，揭示了多面体SrTiO3中超低激子结合能的（Eb < 3 meV）亚稳态激子对的存在及各向异性分布特征，此特点在二十六面体SrTiO3中尤为显著。基于以上特性，多面体SrTiO3对水溶液中的Co2+表现出优异的光氧化性能（Co2+ → Co3+）。同时，多面体SrTiO3/金属复合颗粒也可用于高效光解水制氢材料的制备。上述研究为基于多面体SrTiO3微纳米晶体的高效光催化材料设计提供理论指导，为多面体SrTiO3的应用提供新思路。

　　研究工作得到中科院过程工程研究所-优美特光电新材料联合实验室项目、中科院光化学转换与功能材料重点实验室开放课题的支持。

（a）十八面体、（b）二十六面体、（c）中空笼状SrTiO3的SEM照片，右侧为研究成果被Small选作的卷首插画

来源：过程工程研究所