第一作者：赵莉莉、杨志远

通讯作者：周伟家教授，王连洲教授，刘宏教授，郑昭科教授

单位：济南大学，山东大学，香港理工大学

研究背景

利用太阳能光解水制氢，是获取绿色能源的理想途径之一。其中，二氧化钛材料因其稳定、无毒等优点被广泛研究。然而，光催化过程的核心步骤——吸收光子后产生的电子和空穴极易快速复合，导致能量浪费，效率低下。这成了制约光催化产氢效率的难题。传统解决方案主要集中于修饰催化剂，包括元素掺杂、负载助催化剂、构筑异质结等等，这些方法虽然有效，但往往工艺复杂，或依赖贵金属，且效率提升已进入平台期。

文章简介

近日，济南大学周伟家教授、山东大学刘宏教授、郑昭科教授和香港理工大学王连洲教授合作在期刊Advanced Materials上发表题为“Linearly Polarized Laser Tailored Charge Spatial Separation of Asymmetric TiO2 Nanobelts for Photocatalytic Hydrogen Evolution”的文章。该研究揭示了线偏振激光通过诱导极化电场调控非对称TiO₂ NBs空间电荷分离的关键作用及其内在机制。通过有意使激光的电场矢量与纳米带的纵向方向平行或垂直排列，光生电流密度分别达到最大值或最小值，这为极化电场在合理空间分离光生电子方面的关键作用提供了直接证据。经线偏振激光调控的非对称TiO₂ NBs在纯水中表现出优异的光催化析氢活性，产氢速率达3.04 mmol h⁻¹ g⁻¹，且稳定性良好。该性能约为汞灯条件下的76倍，且在相同激光条件下为对称P25纳米颗粒（NPs）的1.9倍。这项研究为设计高效光催化系统提供了全新的物理调控维度。济南大学赵莉莉副教授和济南量子技术研究院杨志远博士为本文共同第一作者。

图1. 线偏振激光与非偏振光在TiO₂纳米带中激发光生载流子的运动示意图。

本文要点

要点一：各向异性TiO₂纳米带与偏振极化响应表征

本文选用一维非对称结构的TiO₂纳米带作为模型催化剂。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示其具有均匀的不对称纳米带形貌，宽度为数百纳米，长度可达数十微米，长度方向（纵向）和宽度方向（径向）具有显著差异。为了探究线偏振激光产生的固定电磁场对非对称 TiO₂ 纳米带光生载流子分离效率的调控作用，研究人员使用开尔文探针力显微镜和单根纳米带器件进行了偏振各向异性测量。通过调整激光偏振方向（电场E方向）与单根TiO₂纳米带长度方向之间的夹角， 结果清晰地显示，当线偏振激光的电场方向与纳米带长轴平行时，产生的表面光电势和光电流达到最大值；而当电场方向旋转至与长轴垂直时，信号则降至最低。激光直写单根TiO₂纳米带光电器件光电流随角度的变化完美符合cos⟡θ的函数关系。相比之下，使用非偏振的汞灯照射时，无论怎么旋转角度，都不会造成光电压和光电流信号的差异。这一结果表明线性偏振激光在不对称纳米带结构上产生的极化电场能够得到增强。而汞灯照射下非偏振光来回变化的电场被抵消掉。

图2. TiO₂纳米带的基本形貌表征及其极化各向异性光电压光电流表征

要点二：激光偏振响应的单颗粒荧光光谱表征

通过高分辨的单粒子荧光光谱技术，可以更直观地观察到由线偏振激光产生的固定电磁场所调控的载流子分离和复合行为。不同偏振角度线偏振激光和非偏振激光作用下单个TiO₂ NBs的荧光强度和寿命mapping结果显示，当线偏振激光的固定电场平行于纳米带长度方向时观察到最大的光致发光强度，在不同角度下载流子复合的能力差异很大。此外，对于单个 TiO₂ 纳米带，无论电场与纳米带长度方向之间的角度如何，其两端的光致发光强度始终较高，而中间区域的光致发光强度相对较弱，这表明不对称纳米带上的电荷空间分布不同。但最显著的差异仍然出现在电场平行于纳米带长度方向时，且整体寿命优于非偏振光照射。更长的荧光寿命意味着光生电子有更长的“存活时间”去参与化学反应，而不是与空穴复合。因此，线偏振激光的固定电场能够显著调节 非对称TiO₂ 纳米带中的光生载流子分离。

图3. 激光偏振响应的单颗粒荧光光谱表征

要点三：激光催化与汞灯催化产氢性能验证

最终的性能测试结果显示，Hg灯照射下，P25纳米颗粒比TiO₂纳米带具有更高的光催化产氢活性，由于其混相异质结构的存在和更大的比表面积。激光照射下，性能趋势相反。在纯水体系中，使用线偏振激光照射TiO₂纳米带，其产氢速率高达3.04 mmol h⁻¹ g⁻¹。这是相同催化剂在汞灯下性能的76倍！也是在相同激光照射下，对称结构的商用P25纳米颗粒性能的1.9倍！这一对比强有力地证明了，不对称纳米结构与线偏振激光的协同效应是性能提升的关键，其效果甚至超越了催化剂本身的本征活性差异。为了研究激光偏振方向与纳米带取向之间的夹角对产氢性能的影响，将各样品压片以固定纳米带的排列方向，发现通过调整线偏振激光的 E 方向能够有效调节不对称 TiO₂ 纳米带的归一化产氢速率。相反，对于结构无取向的对称 P25 纳米颗粒，改变线偏振激光的E方向对其产氢性能没有影响。这进一步证明了非对称纳米结构与线偏振激光协同调节了光生载流子的数量。

图4. 不同对比样的激光催化与汞灯催化产氢性能对比

要点四：激光诱导极化电场驱动载流子空间分离的机制阐释

理论模拟线偏振激光作用下的TiO₂纳米带平行于纳米带长度方向(x轴极化)和垂直于纳米带长度方向(y轴极化)的激发电场、磁场和电荷分布，发现x轴极化比y轴极化表现出更高的电场、磁场和两端电荷分布，这说明了角度分辨极化的各向异性。当采用圆偏振光代替非偏振光模拟激发时，纳米带产生的电场、磁场和两端电荷分布的幅值比在相同强度的线偏振激光脉冲下的相应幅值都要小，说明线偏振激光才能诱导极化电场持续增强，从而提高一维纳米带的光生电荷分离效率。另外，相同线偏振激光激发下，球形纳米颗粒的两端电荷比TiO₂纳米带的两端电荷低一个数量级，这表明各向异性纳米带是线偏振激光激发更高电荷分离效率的另一个重要因素。

综合所有实验结果和理论模拟，其内在物理图像变得清晰：首先，TiO₂纳米带吸收线偏振激光，产生电子-空穴对。与电场方向杂乱变化的非偏振光不同，线偏振激光固定方向的电场在非对称的纳米带内部诱导出了一个持续的极化电场。这个极化电场充当了“定向驱动器”，强力推动光生电子和空穴沿纳米带长轴方向反向移动，实现了有效的空间分离，极大地抑制了复合。

图5. 理论模拟激光诱导极化电场大小对比

总结

该研究揭示了线偏振激光在合理调控非对称TiO₂ NBs电荷空间分离中的重要作用。得益于线偏振激光与非对称纳米结构通过激光诱导极化电场协同促进电荷空间分离，经激光调控的TiO₂ NBs在纯水中表现出优异的光催化析氢活性，产氢速率达3.04 mmol h⁻¹ g⁻¹。结合偏振各向异性光电压、光电流测量、单粒子PL光谱以及FEM理论模拟的催化性能表明，激光作为具有固定电场方向的线偏振光，可诱导产生极化电场，促进TiO₂中光生载流子的传输。当与一维纳米带相互作用时，在偏振电场方向平行于纳米带纵向维度的条件下，空间分离效率将进一步提高。这一发现突破了传统光催化材料仅依赖优化自身化学成分以提高性能的限制，为基于光物理性质调控设计高效光催化系统提供了普适性指导。

文章链接

Lili Zhao,  Zhiyuan Yang,  Yue Li,  Bei Li,  Xingzhi Wang,  Wenshu Zhao,  Yuke Chen,  Tianxiang Xu,  Tong Wu,  Congcong Zhang,  Wenjing Tang,  Wei Xia,  Yuanhua Sang,  Zhaoke Zheng*,  Hong Liu*,  Lianzhou Wang*,  Weijia Zhou*. Linearly Polarized Laser Tailored Charge Spatial Separation of Asymmetric TiO₂ Nanobelts for Photocatalytic Hydrogen Evolution. Adv. Mater. (2025): e14948.

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202514948

通讯作者简介

周伟家教授，济南大学前沿交叉科学研究院，博士生导师，学术带头人。主要从事能源催化和功能器件相关研究，在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表SCI收录论文120余篇，被引15000余次，H因子65，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文14篇；中国化学快报、物理化学学报、BMEMat、SusMat期刊的青年编委和Interdiscip. Mater.学术编辑；以第一发明人授权发明专利21项。主持国家优秀青年基金，国家重点研发计划课题，山东省杰出青年基金，山东省泰山学者特聘专家计划，山东省重点研发计划等国家省部级项目16项。获得山东省自然科学二等奖（1/6，2024）,山东省青年科技奖（2022），山东省自然科学一等奖（3/5，2019），中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5，2022）和山东化学化工学会科学技术二等奖（1/9，2023）。

王连洲院士，香港理工大学Global STEM讲座教授，澳大利亚科学院院士，澳大利亚工程院院士，欧洲人文与自然科学院院士。曾任澳大利亚昆士兰大学教授，纳米材料中心主任，澳大利亚桂冠学者，主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源转化与存储领域，包括光电催化制氢，新型太阳能电池和储能电池等的应用。先后在国际学术期刊发表论文650余篇，申请专利20余项，论文被引用66,000余次，H因子为136。先后获得澳大利亚基金委女王伊丽莎白学者，未来学者，桂冠学者和工业合作桂冠学者称号，昆士兰大学研究优秀奖及优秀研究生导师奖，澳大利亚寻找未来之星奖，IChemE研究优秀奖。连续多年入选科睿唯安全球高被引作者。2025年6月加入香港理工大学。

刘宏教授， 济南大学前沿交叉科学研究院名誉院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向：组织工程与干细胞分化、光电功能材料、生物传感材料与器件、纳米能源材料等。主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。在包括Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊上发表SCI文章400余篇。授权发明专利40余项，其中有关生化传感器研究进行了千万元成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。BMEMat《生物医学工程材料（英文）》杂志创刊主编。

郑昭科教授，国家优秀青年科学基金获得者，山东省杰出青年基金获得者，山东大学杰出中青年学者，齐鲁青年学者，教授、博导。德国洪堡学者、日本JSPS研究员，中国感光学会光催化专业委员会委员，中国可再生能源学会光化学专委会青年委员，欧洲研究委员会（ERC）评审专家。长期从事光催化过程中载流子传输和催化机理的单颗粒水平光谱研究。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Energy Lett.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Lett.、Adv. Mater.等期刊发表论文150余篇，ESI高被引论文16篇，他引7000余次；授权发明专利36项。研究成果被Nature Materials、Nature Photonics等顶级期刊和Angewandte Highlights选为研究亮点重点报道。曾获山东省自然科学二等奖和教育部优秀成果二等奖等称号奖励。

第一作者介绍

赵莉莉, 济南大学前沿交叉科学研究院副教授，山东省优秀青年基金获得者。主要从事先进纳米能源催化材料结构调控，从太阳能的热利用和化学利用角度进行能源转换研究。主持山东省优秀青年基金、国家自然科学青年基金、山东省自然科学博士基金和横向项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.（1篇）, Adv. Mater.（2篇），Appl. Catal. B Environ., Nano-Micro Lett.等期刊等发表SCI论文25篇，ESI高被引用论文2篇。发明专利3项。获得山东省自然科学二等奖（3/6，2024），中国颗粒学会自然科学二等奖（4/5，2022）和山东化学化工学会科学技术二等奖（6/9，2023），担任Renewables期刊、EcoEnergy期刊和Carbon Neutralization期刊青年编委,Nanotechnology期刊特约编辑。

杨志远，高级工程师，济南量子技术研究院。主要从事低维半导体材料的制备与应用。截至目前，在Advanced Materials、Applied Catalysis B-environmental、Nano Energy等杂志上发表论文10余篇。授权发明专利20余项。主持山东省联合基金项目，参与山东省重点研发项目。