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光催化技术在能源利用、环境保护等领域都具有广阔的应用前景。

在众多光催化材料中，Aurivillius型氧化物由于具有合适的能带位置和丰富的元素组成，近年来引起了科研工作者的关注。通常情况下，Aurivillius型氧化物材料指的是Bi系二元金属氧化物层状钙钛矿结构材料，由[MO6]2-钙钛矿片层（M代表其他金属元素）和[Bi2O2]2+萤石片层交替排列堆叠形成。Aurivillius型氧化物是一种极性材料，有利于光生电子与空穴的分离；而其层状堆叠的结合方式使其晶格易于在堆叠方向发生变形，为其自身内建电场的调控与光催化效率的提升带来可能。

图1. （a）Bi2MoO6晶格结构示意图；（b）Bi2MoO6极性方向晶格常数b的变化对材料偶极矩影响的DFT理论计算结果。

沈阳材料科学国家（联合）实验室环境功能材料研究部李琦研究员最近提出，晶格调控可能成为一种增强极性光催化材料性能的新思路。在可见光光催化材料Bi2MoO6研究中，李琦研究员及其研究团队发现通过改变Aurivillius型光催化材料极性方向的晶格常数，材料的光催化性能能够得到显著增强。

图2. Bi2MoO6系列样品的（a）光吸收特性、（b）Mott-Schottky图与（c）能带结构。

他们与北京航空航天大学祝令刚博士合作，通过DFT理论计算预测了Bi2MoO6极性方向晶格常数b的变化对材料偶极矩的调控规律。由于Bi2MoO6晶体晶格常数b的变化同时会带来晶格原子相对位置的弛豫，因而与直观感受相反，极性方向晶格常数b的减少反而会导致Bi2MoO6的偶极距增大，增强其极性，提高其内建电场强度。通过在溶剂热合成过程中调整反应溶液pH值，控制铋离子与钼离子在成核、聚合以及脱水结合过程中的结晶行为，他们成功降低了Bi2MoO6的晶格常数b值，获得了一系列具有不同晶格常数b值的Bi2MoO6纳米光催化材料。二次谐波测试（SHG测试）结果证实，晶格常数b值越小，Bi2MoO6材料的极性越大，也就越有利于光生电荷的分离。

图3. Bi2MoO6系列样品的（a）二次谐波测试（SHG测试）结果、（b）光电流响应测试结果、（c）电化学阻抗测试结果与（d）IPCE测试结果。

光电测试的相关结果进一步表明，该系列Bi2MoO6纳米光催化材料的光生电荷分离效率随着其晶格常数b值的减少而提高。选取水中常见的模型污染物抗生素、苯酚以及金黄色葡萄球菌进行光催化净化测试，结果也呈现出与光电测试一致的规律，即材料对这些模型污染物的光催化净化效率随着晶格常数b值的减少而增强。此项研究工作表明，晶格调控能够有效影响极性光催化材料的极性强弱，从而增强极性光催化材料性能。这为高效层状极性光催化材料的设计提供了新的思路，有望获得广泛应用。相关研究结果发表在ChemSusChem（http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201800180）。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、沈阳材料科学国家（联合）实验室基础前沿创新项目以及山东省自然科学基金的支持。