光电化学（PEC）分解水制氢是一种具有吸引力的策略，PEC的性能主要取决于三个顺序步骤，即光生电荷的光吸收，电荷分离和转移（CST），以及它们在半导体光电极上的表面反应。而低CST效率是PEC水分解过程中最具挑战性的问题之一，因此如何在光电极中产生额外的强大驱动力来改善CST显得至关重要。原则上，改变晶体结构的对称性，会使得晶胞的正负电荷中心会发生位移，将在整个半导体膜上沿着偶极子方向建立一个很大的电场，其结果是可能会发生体带弯曲（即CST的驱动力）。尽管诸如掺杂等已开发的策略可能会造成局部晶格畸变，但本体中随机分布的偶极子会相互抵消，从而导致内置电场可以忽略不计。因此，迫切需要精确地调节大量光电极中的晶格畸变以产生可控的偶极矩，用来产生有效的庞大驱动力来加速PEC过程。

有鉴于此，受到锂化/去锂过程可以精确地调整电催化剂的结构和晶格应变的启发，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授，Zhiliang Wang，中科院金属所刘岗研究员报道了通过在锂离子电池（LIBs）放电过程的锂化过程来设计原型TiO₂光电极中的内置电场。

文章要点

1）研究人员通过密度泛函理论（DFT）预测了可控锂离子嵌入TiO₂（Li-TiO₂）中时产生的晶格畸变和偶极矩，并通过表征大体积Li-TiO₂结构进一步实验证实了这一点。

2）开尔文探针力显微镜（KPFM）证实了本体中偶极矩引起的电场。整个Li-TiO₂薄膜的平均电场强度高达2.1×102 V m^-1，而原始TiO₂薄膜的电场强度可忽略不计。

3）与原始TiO₂相比，Li-TiO₂光电极的光生CST效率得到了极大的提高，光电流提高了7.5倍以上，起始电位降低了100 mV。

Hu, Y., Pan, Y., Wang, Z. et al. Lattice distortion induced internal electric field in TiO2 photoelectrode for efficient charge separation and transfer. Nat Commun 11, 2129 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-15993-4

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15993-4