王春杨：多功能钛酸盐的分类、性质、制备以及可持续能源催化【AFM，2022】

发布时间：2022-08-29       阅读：0次

伴随着工业化的出现和快速发展，不可再生的化石能源被大量消耗，带来巨大的能源危机和环境污染。因此，迫切需要清洁的新能源逐步摆脱对化石燃料的依赖。地球上存在丰富的太阳能、机械能与温差热能，光催化、压电催化、热释电催化能够将这些能量转化为便于储存的化学能，在获得清洁、可再生、高附加值燃料（如H₂、CH₄、CO、CH₃CHO等）方面展现出巨大的潜力。钛酸盐种类繁多，能带易于调控，可以展现出有吸引力的压电性、热释电性、铁电性，这些性质使得钛酸盐能够吸收太阳能、机械能与温差热能生成化学燃料。目前已有大量的钛酸盐用于光催化、压电催化、热释电催化能源产生，并通过一些策略提高相应效率。然而，目前为止尚缺乏对钛酸盐在可持续能源催化应用研究进展的系统总结和深入理解。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生王春杨在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授和张以河教授指导下，综述了近几年来的相关研究，系统地总结了钛酸盐的分类、结构性质、制备方法、能源催化水分解与CO₂还原的原理与应用、性能增强策略与相关增强机制：

1. 钛酸盐能够通过两种方式作为助催化剂促进光催化中光生电荷的分离和传输，包括一些铁电钛酸盐提供自发极化场和非可见光响应钛酸盐的能带匹配。

2. 通过微结构调控、助催化剂负载、异质结构建、空位形成、元素掺杂等策略调控钛酸盐光吸收、电荷分离、活性位点，促进钛酸盐高效利用太阳能光催化产H₂和还原CO₂。

3. 压电钛酸盐能够捕获机械振动能量产生压电势，改变电荷能量状态诱导压电催化水分解和CO₂还原；通过对压电钛酸盐催化剂进行设计、调节反应条件可以提高压电催化能源产出效率。

4. 具有热释电性的钛酸盐能够吸收昼夜之间的温差能来不断改变极化强度继而产生热释电正负电荷参与水分解反应。由于丰富的性质，钛酸盐及其复合物能够同时吸收温差能、机械能和太阳能，实现能量的综合利用、高效转化。

本文综述了钛酸盐的分类、性质以及在光催化、压电催化、热释电催化产H₂和还原CO₂方面的研究进展，讨论了其能源催化活性增强策略及相应增强机制。虽然钛酸盐在可持续能源催化领域展现出巨大的潜力，但仍有一些科学问题和挑战需要解决。

图1 钛酸盐的分类及可持续能源催化示意图

图2 典型钛酸盐的能带结构示意图

图3 a 压电体、热释电体与铁电体关系示意图；b 无形变时压电体能带示意图；c形变时压电体能带示意图

图4 热释电催化示意图

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上：Chunyang Wang, Tianyi Ma, Yihe Zhang, and Hongwei Huang*. Versatile Titanates: Classification, Property, Preparation, and Sustainable Energy Catalysis. Adv. Funct. Mater., 2022, 32(5), 2108350. [IF2021=19.924]

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202108350