原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Xu Y, Wang G, Yang B, et al. La-doped Bi₄Ti₃O₁₂ nanosheets: Ferroelectric polarization-enhanced carrier dynamics for efficient tetracycline photodegradation. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221248

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221248

ResearchGate：La-doped Bi 4 Ti 3 O 12 nanosheets: Ferroelectric polarization-enhanced carrier dynamics for efficient tetracycline photodegradation

1、导读

为抑制光催化剂中的电荷复合，本研究以Bi₄Ti₃O₁₂ (BTO)为模型体系，通过调控铁电极化增强载流子动力学，从而显著提升四环素的光降解性能。研究表明，La掺杂可有效增强铁电极化，促进载流子分离与传输，不同极化强度直接决定光催化活性。光催化测试显示，La-BTO在30 min内实现94.6%的TC降解率，且•O₂⁻和•OH为主要活性物种。相比未掺杂及退极化BTO，La-BTO表现出更高的光电流密度、更低的电荷转移电阻和更短的PL寿命，证实极化驱动的载流子动力学是提升光催化性能的关键因素。

2、研究背景

四环素作为一种广泛使用的抗生素，因人体吸收不完全而大量进入水体，导致其在地表水、地下水和饮用水中普遍存在。TC具有高环境持久性、生物累积性和生态毒性，长期暴露会诱导抗生素耐药菌传播，威胁全球公共卫生安全。半导体光催化是降解有机污染物的绿色技术，但面临光生电子-空穴对（e⁻-h⁺）快速复合的挑战。传统改性策略（如元素掺杂、异质结构建）主要依赖能带结构调控，对载流子分离效率的提升有限。铁电光催化剂材料（如Bi₄Ti₃O₁₂, BTO）的自发极化电场可促进载流子定向分离，但其在光催化中的主导机制尚未明确。需区分极化效应与其他因素（如能带结构、缺陷）的贡献，以建立极化−光催化性能的构效关系。

3、文章亮点

（1）通过La³⁺取代Bi³⁺显著增强BTO的铁电极化强度，并结合去极化对照样品，明确证明铁电极化而非能带结构或比表面积是提升光催化活性的主导因素，建立了“极化调控光催化”的清晰物理图像。

（2）铁电极化内建电场诱导光生电子-空穴对分离，有效抑制体相复合并加速界面电荷转移，表明极化促进的是电荷高效传输而不是非辐射复合。

（3）通过增强催化剂的铁电极化，使得四环素降解速率大大提高，反应速率为退极化样品的的5.1倍，并在真实水体及多种有机污染物体系中保持高效与稳定。

4、研究结果及结论

UV–vis吸收与能带结构分析表明，BTO、La-BTO和D-BTO具有相近的吸收边和带隙，且均为n型半导体，能带位置满足产生活性氧物种的热力学要求。由于三者能带结构和光吸收能力差异较小，而光催化性能却存在显著差别，说明能带结构并非决定光催化活性的主导因素。

图1 （a）D-BTO、BTO和La-BTO的紫外–可见漫反射光谱（UV–Vis DRS）及（b）对应的Tauc图；（c）–（e）分别为D-BTO、BTO和La-BTO的Mott–Schottky曲线；（f）为D-BTO、BTO和La-BTO的能带结构示意图。

光电流响应、EIS和TRPL结果进一步揭示了载流子动力学差异。La-BTO表现出更高的光电流密度、更低的电荷转移电阻以及更短的PL寿命，表明其载流子分离与传输效率显著优于BTO和D-BTO。该现象归因于增强的铁电极化电场驱动载流子快速定向迁移，从而抑制体相复合并提升光催化效率。

图2（a）D-BTO、BTO和La-BTO的瞬态光电流响应，（b）开路电位（OCP），以及（c）电化学阻抗谱（EIS）曲线；（d）–（f）分别为D-BTO、BTO和La-BTO的时间分辨光致发光（TRPL）光谱。

KPFM测试直接可视化了铁电极化对表面电位的调控作用。D-BTO在光照前后表面电位几乎不变，表明其缺乏内建电场；BTO 在光照后表面电位降低，反映出电荷屏蔽效应对极化电场的削弱；而La-BTO在光照下表面电位升高，La掺杂减少氧空位，削弱电荷屏蔽，维持极化电场稳定性，有效抑制电荷屏蔽并稳定铁电极化，使内建电场主导载流子定向分离，从而显著增强光催化反应驱动力。铁电极化而非能带结构是调控载流子动力性的核心因素，极化电场诱导电子-空穴空间分离，抑制体相复合，提升界面反应活性。

图3 D-BTO、BTO和La-BTO的KPFM表征结果。

5、作者及研究团队简介

杨兵兵，博士，研究员/博导，安徽省高层次人才。主持中国科学院人才项目、国家自然科学基金项目、国家重点实验室重点项目等，目前以通讯/第一作者在Nature、Nat. Mater.、Nat. Energy等期刊发表论文50余篇。研究方向：材料结构设计与机理研究，研发兼具高响应与低损耗特性的电子功能材料及器件，探索其在储能/换能、信息存储等领域的应用。

王宏青，博士，二级教授，博士生导师，澳大利亚Monash University访问学者，中国核学会锕系化学会理事，中国辐射防护学会环境放射化学专业委员常务理事，湖南省化学化工学会副理事长，湖南省盐卤化工联盟副理事长，国家自然基金“核技术创新联合基金”会评专家，现任化学化工学院党委书记，国际著名刊物Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Journal、Environmental Pollution、Talanta、Spectrochimica Acta Part A等审稿专家。主要从事功能材料及分子识别与分离方面教学与科研工作。主持国家自然基金面上项目4项、湖南省省市联合基金1项、湖南自然科学基金2项、湖南省教育厅重点与青年项目各1项；获衡阳市科技进步二等和三等奖各1项。在Environmental Science & Technology，Applied Catalysis B: Environment and Energy, Chemical Engineering Journal，Sensors & Actuators: B. Chemical，TRAC-Trends in Analytical Chemistry，Journal of Cleaner Production等国内外知名学术刊物发表学术论文90余篇，其中高被引论文3篇，被SCI收录70篇，获得发明专利5件，出版专著1部，编写出版教材2部。获得南华大学第二届“我心目中的好导师”称号。

金灵华，博士，目前以通讯/第一作者在Applied Catalysis B: Environment and Energy, Advanced Functional Materials, Small等期刊上发表论文20余篇。研究方向为电化学储能，铁电材料及其在催化中的应用。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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