人工光合成太阳燃料（如水分解制氢、二氧化碳还原等）将太阳能转化为化学能储存起来，是太阳能科学利用的有效途径，备受世界范围的广泛关注。整个过程涉及多电子转移的能量爬坡过程，跨越飞秒至秒级的多个时间尺度，其中，光生电荷空间分离是核心。虽然半导体光催化剂不同暴露晶面已被证明在光催化分解水反应中起到重要作用，但对于晶面工程如何调控各向异性晶面进而影响光生电荷的行为，以及各向异性晶面之间的差异性与光催化性能之间的关系并不清楚。

近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士和李仁贵研究员团队以可见光响应的铬酸铅光催化剂为研究对象，利用晶面工程策略可控调变了铬酸铅晶体的各向异性暴露晶面，并且探究了铬酸铅晶体暴露的各向异性晶面与光生电荷空间分离以及光催化活性的内在关系，为半导体光催化剂光生电荷分离调控提供借鉴。

在对铬酸铅结构和生长过程认识的基础上，基于晶面工程策略，可控合成具了有不同暴露晶面的铬酸铅晶体，实现其形貌结构从平行六面体到截角八面体再到拉长菱形的可控调变。

在铬酸铅各向异性暴露晶面可控合成的基础上，通过原位光化学还原和氧化探针反应研究光生电子和空穴的空间分布，发现对于平行六面体的晶体其光生电子和空穴均无序分布在所有晶面上，而截角八面体和拉长菱形铬酸铅晶体上光生电子和空穴表现出明显的空间分离特性，说明光生电荷空间分离与形貌结构和各向异性晶面至关重要。

为了研究各向异性晶面与光生电荷空间分离的关系，分别在三种铬酸铅晶体表面进行了表面光电压成像表征。研究发现，三种晶体上不同暴露晶面之间的表面电势差异为平行六面体最小，截角八面体次之，而拉长菱形铬酸铅的表面电势差最大，三种铬酸铅晶体上电荷分离效率与其暴露的各向异性晶面间的表面电势差呈准线性关系，差异越大对应其光生电荷空间分离越明显。

将三种铬酸铅晶体用于可见光驱动的光催化水氧化反应中，表现出与表面电势差异一致的趋势，平行六面体的光催化水氧化性能最差，而拉长菱形的水氧化性能最高。表观量子效率测试结果表明，具有各向异性暴露晶面的拉长菱形铬酸铅其水氧化量子效率在500 nm处仍可达到6.5%，为目前铬酸铅光催化剂体系的最高效率。尤为重要的是，具有各向异性暴露晶面的铬酸铅光催化剂在逆反应抑制上具有独特的优势，在Fe³⁺离子作为电子接受体时，平行六面体表现出明显的可逆反应，而截角八面体和拉长菱形铬酸铅晶体上可实现Fe³⁺离子的完全转化，没有Fe²⁺氧化的可逆反应发生，证明了各向异性暴露晶面对于可逆反应抑制的重要性。

本文通过晶面工程策略调控了铬酸铅的形貌结构以及各向异性晶面，研究了各向异性晶面之间的差异与光生电荷的空间分离和电荷分离效率的关系。通过调控铬酸铅的各向异性晶面，光生电荷分离效率显著提升，不仅加速了光催化水氧化速率，而且有效抑制了水氧化过程中Fe²⁺离子的氧化逆反应，证明了晶面工程策略和各向异性暴露晶面在光催化太阳能转换中的重要作用。