太陽能驅(qū)動的光催化水分解制氫是緩解全球能源危機和環(huán)境問題的可持續(xù)途徑。光催化水分解由兩個半反應組成：質(zhì)子還原和水氧化反應(分別產(chǎn)生H₂和O₂)。也就是說，催化劑的可用性源于導帶(CB)和價帶(VB)超過水的氧化還原電位，這嚴重限制了單組分光催化劑的應用。此外，緩慢的反應動力學和不可避免的逆反應極大地限制了太陽能-氫氣轉(zhuǎn)化效率的進一步提高。

近年來，鐵電體，如BaTiO₃、PbTiO₃、BiFeO₃和CdS等具有高效的電荷分離效率，在光催化水分解方面表現(xiàn)出巨大的潛力。鐵電極化誘導的內(nèi)電場可以穿透非極性晶體，取代了電荷分離，特別是單疇鐵電體和定向多疇鐵電體，實現(xiàn)了電荷由內(nèi)到外的連續(xù)電荷遷移。在目前關(guān)于鐵電光催化劑的報道中，極化電場驅(qū)動的電荷分離通常伴隨著載流子在各向異性方面的富集。然而，導致小面依賴的選擇性電荷分離和極化主導的空間電荷分離的兩種驅(qū)動力之間的相互作用和關(guān)系仍不清楚。因此，篩選一種結(jié)構(gòu)良好的鐵電單晶對解決上述難題具有重要意義。

基于此，中國地質(zhì)大學(北京)黃洪偉課題組采用通量法制備了具有不同鐵電極化強度的Na⁺摻雜Bi₄NbO₈Cl納米片(BNOC-PN，N=1-5)，作為產(chǎn)H₂和O₂的雙功能光催化劑。

具體而言，在[Bi₂O₂]²⁺層中的Bi³⁺被Na⁺取代，導致強烈的NbO₆八面體扭曲和Bi原子與赤道O原子之間額外的LPEs效應，使得BNOC的平面內(nèi)和平面外極化同時增強；并且，隨著極化的增強，催化劑體相中光生電荷的壽命也相應地增加，而表面轉(zhuǎn)移過程中光生電荷的壽命呈先增減的趨勢。這是因為過量的極化電荷會破壞BNOC的固有表面狀態(tài)，削弱小面結(jié)誘導的定向電荷轉(zhuǎn)移，加速表面電荷復合。

極化電場和小面內(nèi)置電場的協(xié)同作用產(chǎn)生連續(xù)的電荷驅(qū)動力能夠?qū)⒏嗟墓馍娮雍涂昭ǚ謩e轉(zhuǎn)移到{110}和{001}面。因此，在犧牲試劑存在下，具有中等極化強度的BNOC-P4納米片對可見光驅(qū)動的光催化產(chǎn)H₂和O₂的活性最高，生產(chǎn)速率分別為54.21和36.08 μmol h^?1。

總的來說，這項工作揭示了鐵電極化在調(diào)節(jié)光催化劑本征晶面選擇性電荷轉(zhuǎn)移過程中的作用，為設(shè)計鐵電極化和小面結(jié)協(xié)同調(diào)節(jié)光電荷轉(zhuǎn)移過程的高效光催化劑提供了理論指導。

Ferroelectric Polarization Modulated Facet-selective Charge Separation in Bi₄NbO₈Cl Single Crystal for Boosting Visible-light Driven Bifunctional Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202312895