中科院大連化物所開發新型寬光譜捕光催化材料

近日，我所太陽能制儲氫材料與催化研究組（DNL1621組）章福祥研究員團隊與日本東京工業大學Kazuhiko Maeda教授團隊合作，設計合成了一種層狀結構的寬光譜捕光催化新材料β-ZrNBr，其吸光帶邊可至530nm，表現出較優異的光催化水分解半反應制氫和放氧、光催化半反應還原CO2制甲酸等功能。

寬光譜捕光催化材料的設計合成是實現太陽能高效光—化學轉化的基礎，其吸收帶邊越寬，太陽能轉化理論效率越高。

在前期氮氧化物設計合成基礎上，本工作中，科研人員通過氮元素與鹵素離子共取代氧原子策略，合成了氮鹵化物（β-ZrNBr），解決了以往單純氮取代氧過程中，由于電荷不匹配（N3-，O2-），導致產生不可避免缺陷態的弊端，實現了兼具寬光譜響應和低缺陷密度的新型可見光催化材料的開發。該新型寬光譜捕光催化材料為層狀結構化合物，其結構單層為雙面Br-離子夾棱形ZrN層板的結構，且通過插層剝離后可得到納米片結構。此外，科研人員通過在β-ZrNBr表面分別修飾Pt、RuOx、RuRu’分子，實現了該材料光催化還原水產氫、光催化水氧化產氧、光催化還原CO2產甲酸等半反應功能，展示了較好的光化學轉化應用潛力。

我所太陽能研究部長期致力于具有較寬可見光利用的新光催化材料開發，先后設計合成了氮氧化物類（J. Mater. Chem. A，2013；J. Mater. Chem. A，2017；Chem. Commun.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Appl. Catal. B，2019；Adv. Mater.，2021；J. Energy Chem.，2021等）、含氧酸鹽類（Adv. Energy Mater.，2018）、金屬有機框架類（Adv. Mater.，2018；Sci. China Chem.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022）等不同類型、具有我國自主知識產權的新材料，在光催化分解水制氫方面展現了良好性能。

上述工作以“Layered β-ZrNBr Nitro-Halide as Multifunctional Photocatalyst for Water Splitting and CO2 Reduction”為題，于近日發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該論文的第一作者是我所DNL1621組畢業生鮑云鋒博士和博士后杜仕文，以上工作得到了國家自然科學基金、國家科技部等項目資助。（文/圖 鮑云鋒）