科学网—AMR Account｜华东理工大学杨化桂教授团队：各向异性单晶钛基氧化物用于光催化分解水-材料研究述评（英文）的博文
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2026-6-17 11:28
| 个人分类: AMR Account | 系统分类: 论文交流
近日，华东理工大学杨化桂教授团队的 AMR 述评文章“Anisotropic Single-Crystalline Ti-Based Oxides for Photocatalytic Water Splitting”在线发表，文章重点介绍了各向异性单晶钛基氧化物合成与晶面调控策略，深入讨论了其结构各向异性与光催化分解水性能之间的构效关系，并系统总结了单颗粒尺度先进表征技术的发展，以及进一步展望了光解水领域的前景。
关键词： 各向异性，钛基氧化物，晶面调控，光催化分解水
原文提要： “Facet engineering is especially attractive because precise control over precursor chemistry and dopant ionic species during semiconductor synthesis enables the regulation of exposed crystal facets, thereby introducing facet-induced anisotropy along the entire photocatalytic reaction pathway.”
文章内容简介
TiO 2 、SrTiO 3 等钛基氧化物因结构明确、化学稳定、资源丰富和环境友好等优势，长期被视为光解水制氢研究的经典材料。然而，光生载流子易复合、电荷迁移效率有限以及析氢和析氧位点空间重叠等问题，仍限制其性能进一步提升。经过多年系统研究，我们团队提出了通过精确调控晶面各向异性提升钛基氧化物光解水制氢性能的重要思路。该述评避免了以组成调控或缺陷优化为主的传统研究范式，强调从单晶结构出发，精准控制不同晶面的暴露比例与空间分布，协同调节材料的晶体结构、电子行为和表面反应过程。
以典型钛基氧化物TiO 2 和SrTiO 3 为研究对象，团队围绕Wulff晶体生长理论，发展了水热/溶剂热、固相熔盐法合成等可控制备策略，并通过无机离子、有机小分子及异质元素掺杂等手段实现特定晶面暴露与晶体形貌的精准调控，构筑了一系列晶面可控的钛基氧化物。其中，TiO 2 作为光解水制氢研究的经典模型体系，团队早期发现不同非金属原子在TiO 2 表面的吸附及其对晶体表面能的作用规律，进而提出了通过理性选择非金属元素配体可控构建晶态材料特定晶面的研究策略，实现了锐钛矿TiO 2 高活性{001}晶面的大比例暴露，为深入理解晶面结构对载流子迁移和表面反应行为的影响奠定了研究基础。在光解纯水制氢应用方面，重点展示了一系列不同晶体形貌SrTiO 3 单晶的代表性进展。通过调控{100}、{110}、{111}等晶面的暴露比例，可利用不同晶面在表面结构和能级分布上的差异构建内建电场，引导光生电子和空穴定向迁移，进一步结合助催化剂的选择性负载，可在单颗粒上实现析氢和析氧反应位点的空间分离。最后，我们总结了面向各向异性单晶材料研究的先进表征技术，为在单颗粒尺度精准探测载流子空间分布、迁移行为及局域反应活性提供了重要思路。
您选择该领域的初心是？
作者团队：
太阳能驱动水分解制氢为可再生能源向绿色燃料转化提供了重要路径，但其效率仍受到光生载流子复合、界面反应动力学迟缓以及氧化还原位点空间重叠等因素的制约。因此，我们希望以结构明确的单晶钛基氧化物为模型体系，从晶面结构、电子结构、内建电场和表面反应位点等层面出发，揭示材料结构与光解水制氢性能之间的内在关联，为高效、稳定光催化体系的设计提供理论依据和材料基础。
您对这个领域的发展有何愿景？
作者团队：
我们期待光解纯水制绿氢领域能够突破实验室经验性材料优化的局限，逐步迈向高性能、可规模化的太阳能制氢应用。未来，我们将围绕载流子高效分离、界面反应动力学、长期稳定性和规模化制备等关键问题，进一步发展各向异性单晶材料的精准构筑与多尺度调控方法。希望将实验室中结构明确、机制清晰的光催化模型材料，逐步发展为高效率、长寿命、低成本的实用化技术，为绿色氢能生产和“双碳”目标实现提供科学基础与技术支撑。同时，也期待更多青年人才加入，共同推动太阳能燃料转化与先进光催化材料领域的发展。
您认为该领域当前最值得关注的 研究热点是什么？
作者团队：
我们认为当前光解水制氢领域最值得关注的方向，已经从单纯追求效率提升逐步转向结构明确、机制清晰且具备应用潜力的光催化材料体系构建。一方面，需要持续开发具有精准结构调控能力的新型光催化材料，通过晶面和界面工程实现光吸收、载流子分离与表面反应的协同优化；另一方面，需要借助工况表征技术（例如我们团队开发的面向光催化反应的原位核磁共振表征技术），结合原位光谱和理论计算，动态追踪反应中间体演化过程，深入揭示载流子迁移、界面反应与催化剂动态重构之间的内在关联。只有将新材料开发、机理认知与工程化应用紧密结合，才能推动光催化分解水从实验室研究走向太阳能制氢的实际应用。
通讯作者简介
杨化桂 ，华东理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，澳大利亚昆士兰大学荣誉教授。现任中国硅酸盐学会理事、上海硅酸盐学会无机新能源材料专业委员会主任委员等。长期从事太阳能转换与储存关键功能材料及器件研究，聚焦金属与半导体氧化物晶态材料的可控制备、人工光合成制氢以及CO 2 等小分子资源化利用。在 Nature 、 Science 、 Nat. Energy 等国际学术期刊发表SCI论文300余篇，论文引用3.8万余次。
扫码阅读杨化桂教授团队的精彩Account文章：
Anisotropic Single-Crystalline Ti-Based Oxides for Photocatalytic Water Splitting
Meng Min Wang, Peng Cheng Ding, Peng Fei Liu, and Hua Gui Yang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00380
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