化石能源的不断消耗刺激了各类太阳能转换系统的开发，作为“光-电-化学”能源系统的一种，光电化学阴极保护（photocathodic protection，PCP）系统旨在接收太阳光并将其用于驱动对金属结构的防腐保护。由于较低的光生电荷分离效率使得目前建立高效的PCP系统仍存在巨大挑战，为了提升该系统的电荷分离效率，相关研究人员开展了大量基于半导体异质结方面的研究，并成功证实了其在提升电荷分离效率上的可行性。然而，异质结构中用于电荷分离的内建电场的作用范围仅局限于不同半导体材料相邻颗粒之间的狭窄区域，无法使内建电场的作用力贯穿整个光阳极，并且存在削弱光生载流子热力学氧化还原能力的问题。
针对上述问题，文章提出了巧妙运用铁电材料的去极化电场促进光生载流子分离的思路。通过将具有自发极化特性的单畴铁电PbTiO3纳米板制备成PCP系统的光阳极，借助外加偏压极化的方式建立一个能够贯穿整个光阳极并具有统一方向的去极化电场，从而驱动光生电子与空穴呈相反方向进行定向迁移，即推动电子迁移至被保护金属中，空穴则迁移到光阳极/电解质界面。由于该过程不涉及载流子在不同能带之间的转移，去极化电场并不会削弱光生载流子热力学氧化还原能力。因此，与传统PCP系统相比，这种全新的具有宏观内建电场的铁电光阳极显著提升了PCP系统整体的光电化学转换效率及阴极保护性能。
本项工作重点设计了一种由单畴铁电材料PbTiO3制备而成的光阳极，通过施加外加偏压的方式，使铁电光阳极上形成一个贯穿整个光阳极的去极化电场，从而引导光生电荷进行定向迁移，并解决了传统异质结内部电场作用范围较小以及削弱光生载流子热力学氧化还原能力的问题，改善了表面催化反应动力学，大幅度提升能量转换效率，从而为金属提供绿色、无污染、稳定的防腐保护。这项工作中采用的铁电光阳极策略将为新一代太阳能驱动的阴极金属保护系统开辟新的可能。
该工作以题为“Directing the photogenerated charge flow in a photocathodic metal protection system with single-domain ferroelectric PbTiO3 nanoplates”发表在高起点新刊Electron上，被选为当期封面论文。北京大学深圳研究生院杨世和教授、中山大学邢政副教授为本文共同通讯作者，中山大学化学工程与技术学院博士研究生谢慧，硕士研究生余健有、方煜辰为文章共同第一作者，硕士研究生王智俊参与工作。
Xie H, Yu J, Fang Y, Wang Z, Yang S, Xing Z. Directing the photogenerated charge flow in a photocathodic metal protection system with single‐domain ferroelectric PbTiO3 nanoplates. Electron. 2024;e51. https://doi.org/10.1002/elt2.51
论文链接：https://doi.org/10.1002/elt2.51