什么是材料的内建电场？

材料的内建电场（Built-in Electric Field）是光催化全解水（Overall Water Splitting, OWS）技术中的核心驱动力。它通过调控光生载流子的分离与传输，显著提升光解水效率。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03330

内建电场（Built-in Electric Field）是材料内部因电荷分布不均或界面特性自发形成的静电场，区别于外部施加的电场。其核心源于材料自身物理结构或化学性质的差异，例如半导体掺杂浓度梯度、铁电极化效应或异质结界面能带不匹配等。这种电场在半导体器件、能源转换和催化领域具有决定性作用。

半导体PN结：载流子扩散与空间电荷区

当P型（空穴为主）和N型（电子为主）半导体接触时，载流子因浓度梯度发生扩散：

扩散过程：空穴从P区向N区扩散，电子从N区向P区扩散，导致界面附近形成空间电荷区（耗尽层）。N区留下带正电的施主离子（如磷掺杂硅中的P⁺），P区留下带负电的受主离子（如硼掺杂硅中的B⁻）^ 。

电场建立：空间电荷区内的固定离子产生由N区指向P区的内建电场（约0.3-0.7 V，取决于材料） ^ 。此电场阻碍多数载流子扩散，同时驱动少数载流子漂移，最终达到动态平衡 ^

内建电场在光催化全解水（即同时分解水生成氢气和氧气）中起着关键作用，它通过调控电荷分离与传输路径，显著提升光催化效率。以下是具体机制和应用实例：

内建电场的作用机制

加速电荷分离光催化剂受光激发后，电子从价带跃迁至导带，形成电子-空穴对。内建电场能驱动电子和空穴向相反方向迁移，减少复合几率，提高光生电荷利用率 。例如，NDINH/PDINH超分子结构中，界面局域偶极形成强内建电场（ΔE=74.3 mV），使光生电子快速转移至表面参与产氢反应 。

NDINH/PDINH的光学和亲水特性以及光催化机制https://doi.org/10.1002/anie.202308597

固体-紫外可见吸收光谱（图a）表明NDINH/PDINH的吸收边缘为720 nm，其光谱效率高达56.52%，充分覆盖和利用太阳能光谱。在380 nm的入射光波长下，通过对材料模拟其对光的吸收功率（P_abs）（图b），能够观察到NDINH表面周围的P_abs较大，表明在紫外光照射下，光的吸收位点主要集中在NDINH表面而不是PDINH表面。

从电场图（图c）观察到PDINH上方的NDINH表面电场（EF）强度（电子-空穴对生成率）约为入射电场的2倍。更重要的是，当EF强度是入射电场的三倍时，在NDINH/PDINH上方的反射电场强度较弱，表明NDINH的涂覆可以显著降低PDINH上的反射电场，从而提高其对紫外光的响应活性。与此同时，NDINH/PDINH 也表现出良好的亲水特性。

通过紫外光电子能谱测量结果显示，PDINH的功函数大于NDINH。据此可以推断，当PDINH与NDINH接触后发生能带弯曲，在界面处形成IEF，促使PDINH导带上的光生电子倾向于通过界面转移到NDINH的价带，与NDINH价带上的光生空穴发生复合，形成Z-型电荷转移路径，从而获得较高的氧化还原电势，这有利于全谱光下热力学驱动稳定的全解水反应（图e）。

超分子共组装结构（NDINH/PDINH）

构建方法：通过溶液分散法，将萘酰亚胺（NDINH）和苝酰亚胺（PDINH）共组装成Z-型结构，界面形成强内建电场。

Fe-BDC-NH2/H2O2体系中双酚a降解机理示意图

Chemosphere, 2021, 133026

性能表现：全谱光下产氢速率为317.2 μmol·g⁻¹·h⁻¹，产氧速率为154.8 μmol·g⁻¹·h⁻¹，太阳能-氢能转化效率达0.13% 。

热释电-光热-光催化复合体系

设计原理：铁电材料（如PVDF-HFP）在温度变化时产生热释电电场，驱动载流子分离。结合碳纳米管（CNT）的光热效应，将红外光转化为热能，激发热释电效应 。

效果：红外光响应内建电场使CdS光催化剂产氢效率提升5倍，表观量子效率达16.9% 。

热释电-光热-光催化复合纤维结构

DOI: 10.1038/s41557-022-01036-6

优化策略与协同效应

调控界面偶极通过调整NDINH与PDINH的涂覆比例，优化界面偶极强度，增强内建电场驱动力，延长光生载流子寿命（达纳秒级） 。

IEF可以影响电荷分离并决定电荷迁移的方向，表面电势正比于IEF。如图a-c所示，NDINH/PDINH的表面电势（ΔE=74.3 mV）远大于PDINH（ΔE=13.6 mV）和NDINH（ΔE=7.1 mV）。

显然，NDINH/PDINH（40%-NP）表现出更强的IEF。根据NDINH/PDINH的差分电荷密度（图d）显示，在共组装结构界面处有明显的电荷差，并且引入了较大的局域偶极（图e），这可以形成从NDINH指向PDINH的IEF。

π-电子的定域化轨道定位函数显示（图f），平面节点存在于NDINH/PDINH分子的π-轨道上，这源于NDINH和PDINH的非共面性降低了整个分子的共轭效应，导致电荷分布的不均匀性，从而在NDINH/PDINH中引入IEF。

多策略协同：例如，某些具有特殊晶体结构的材料，如TiO₂等，因其具有较高的电子迁移率和稳定性，常被用作光催化剂的基底材料。同时，通过控制制备过程中的温度、压力、反应时间等因素，可以优化材料的结构，进而提高内建电场的强度和稳定性。

实验结果表明，内建电场能够有效地提高光催化剂的催化效率、稳定性和矿化程度。这主要是因为内建电场能够促进光生电子和空穴的有效分离和传输，减少其复合几率，从而提高光催化剂的活性。此外，内建电场还能够增强光催化剂对有机污染物的吸附能力，使其更有效地与污染物接触并进行反应。

光催化剂内建电场构建的详细过程及其对降解有机污染物的作用机制在光催化技术中，内建电场的构建是提高光催化剂性能的关键步骤。这一过程涉及到对光催化剂材料的选择、电场的引入方式以及电场与光催化剂之间的相互作用等。首先，光催化剂的选择是构建内建电场的基础。

通常，选择具有良好光电性能和稳定性的材料作为光催化剂，如二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等。这些材料在光照下能够产生光生电子和空穴，从而引发氧化还原反应。其次，电场的引入方式也是构建内建电场的关键步骤。一般通过在光催化剂表面施加外部电场或通过材料自身的特殊结构来形成内建电场。

外部电场的施加可以通过电极、电势差等方式实现，而材料自身的特殊结构则依赖于材料的制备工艺和结构设计。在光催化剂内部形成内建电场后，它将极大地影响光生电子和空穴的迁移和分离效率。内建电场的作用是促进光生电子和空穴向相反方向移动，从而减少它们的复合几率，提高量子效率。

这一过程对于降解水中有机污染物至关重要。具体来说，当光催化剂受到光照时，光生电子和空穴被激发并分离出来。内建电场的作用使得电子和空穴分别向两个相反的方向移动，从而避免了它们的复合。这样，更多的光生电子和空穴可以参与到有机污染物的降解过程中，提高了降解效率和速率。

此外，内建电场还可以增强光催化剂对可见光的吸收能力，扩大其光谱响应范围。这有助于提高光催化剂的活性，从而更有效地降解水中的有机污染物。七、不同构建方法对光催化剂性能的影响及优化策略不同构建方法对光催化剂性能的影响是显著的。

在实验中，我们发现通过调整光催化剂的制备工艺、改变其表面结构、引入杂质等方式，可以有效地优化光催化剂的性能。首先，制备工艺的优化是提高光催化剂性能的关键。例如，通过控制反应温度、反应时间、原料配比等参数，可以调整光催化剂的晶体结构、粒径大小和表面积等，从而影响其光催化性能。

其次，表面结构的改变也可以显著影响光催化剂的性能。例如，通过引入缺陷、修饰表面等方法可以增加光催化剂的活性位点数量和吸附能力，从而提高其降解有机污染物的效率。此外，引入杂质也是一种有效的优化策略。

通过引入适量的杂质元素，可以改变光催化剂的能带结构、提高其光谱响应范围和增强其光稳定性等。这些优化策略的应用将有助于进一步提高光催化剂的性能和效率。

内建电场是光催化全解水的核心驱动力，通过电荷分离、Z-型路径调控及光谱响应优化，显著提升产氢/氧效率。当前研究已从单一电场构建拓展至热释电、超分子组装等多技术融合，为高效太阳能转化提供了新方向 。