太阳能驱动光催化分解水制氢是构建清洁可持续能源系统、助力实现“双碳”战略目标的重要途径之一。绝大多数半导体光催化材料由于缺少光生电荷定向迁移的内在驱动力，使得光生电荷无序分布、复合严重，导致太阳能光催化制氢效率显著低于实用化需求。单畴铁电半导体材料具有单一取向的自发电极化，由此产生的内建电场贯穿体相，可驱动光生电子和空穴反向迁移，分别向正、负极化表面富集实现光生电荷空间分离，为高效光催化分解水制氢提供了理想的光物理特性，是一种极具潜力的光解水制氢材料。
　　中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进能量转换材料与器件研究组长期聚焦铁电光催化材料研究，取得了系列研究进展。前期在单畴PbTiO₃微晶颗粒上首次实现了助催化剂的空间分布选择性沉积，大幅提高了光催化产氢活性（Chem. Commun. 2014, 10416）。此后，利用铁电屏蔽效应实现了氧空位控制的全分解水活性（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 20342）、非对称异质结构的定向生长（Joule 2018, 2, 1095; Sci. China Mater. 2022, 65, 3428）和高效Z型光解水制氢系统的构筑（Joule 2022, 6, 1876）等。此外，还与浙江大学合作研究发现了Pt-PbTiO₃催化材料独特的CO氧化特性（Adv. Mater. 2022, 2202072）。基于相关研究工作，研究组受邀与合作者在Accounts of Materials Research撰写了关于PbTiO₃基单畴铁电光解水制氢材料的评述文章。
　　该评述文章首先深入分析了单畴铁电材料所具备的独特理化属性，包括内建铁电场驱动光生电荷的反向分离、极化表面内屏蔽诱导的缺陷空间选择性分布、以及极化表面外屏蔽引发的离子选择性吸附等（图1），阐明其相比于非铁电和多畴铁电材料在光催化分解水制氢中的优势，进一步系统阐述了PbTiO₃基单畴铁电光解水制氢材料的可控制备、表面修饰、异质结构建和Z型光解水系统组建等方面的相关研究进展（图2），并对单畴铁电光催化分解水制氢材料的设计和未来发展趋势进行了展望。
　　该研究成果近期以“PbTiO₃ Based Single-Domain Ferroelectric Photocatalysts for Water Splitting”为题发表于Accounts of Materials Research上。
　　论文第一作者为中国科学院金属研究所甄超项目研究员和浙江大学任召辉副教授，该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、新基石科学基金会等资助。
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图1 单畴铁电半导体材料的独特理化属性及其在光催化分解水制氢应用中的优势

图2 PbTiO₃基单畴铁电光催化材料的研究路线简图