中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员李灿，大连化物所研究员范峰滔等通过精准调控铁电材料的表面结构，揭示了限制其水分解效率的关键因素，实现了高效水全分解反应，表观量子效率达到4.08%。近日，相关成果发表于《自然-通讯》。

光催化水分解制氢是一种将太阳能高效转化为化学能的关键技术，同时也是减少化石能源依赖和环境污染的重要途径。然而，在光催化反应过程中，光生电荷从飞秒时间尺度的生成到毫秒时间尺度的利用，会经历体相和表面复合等多重消耗路径，这种电荷复合现象是制约太阳能转换效率提高的主要瓶颈之一。因此，如何高效分离光生电子和空穴以提升催化性能，是该领域亟待解决的核心问题。铁电材料因其非中心对称结构，在体相存在退极化电场，可有效驱动光生电子和空穴向相反的极化表面分离，在电荷分离方面具有重要潜力。

在该研究中，科研人员针对铁电材料光生电荷分离与催化活性不匹配的问题，以单畴钛酸铅（PbTiO₃）为研究模型，系统探讨了其表面结构及电荷动力学特性。研究揭示，PbTiO₃正极化面存在Ti空位缺陷，这些缺陷作为电子捕获中心，导致电荷复合并限制光催化效率。空间和时间分辨光谱分析表明，钛酸锶（SrTiO₃）的生长消除了正极化面与Ti缺陷相关的捕获态，降低了光生电子的捕获与复合，使电子寿命从微秒量级延长至毫秒量级，到达反应活性位有效参与反应，从而提高了水分解效率。

该工作为设计高效铁电光催化材料提供了新的理论指导和研究思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56359-y

（原载于《中国科学报》 2025-03-20 第3版 综合）