大化所開發金屬輔助氮化合成寬光譜捕光催化材料新方法

 近日，我所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組（DNL1621組）章福祥研究員團隊開發了一種低功函金屬粉末（Mg、Al、Zr等）輔助氮化的合成新方法，實現了在低溫、短時間內高效氮化合成基于d0區金屬元素（Ta、Zr、Ti等）的窄帶隙金屬氮氧化物半導體材料。基于該合成路線，團隊有效降低了大部分金屬氮氧化物的缺陷密度，并提升了相應材料的光催化性能；此外，采用該氮化路線實現了對SrTiO3和Y2Zr2O7等材料的高濃度氮摻雜，大幅減小其帶隙，拓展了氮氧化物半導體光催化材料的開發邊界。

　　
       寬光譜捕光催化材料設計合成是實現太陽能高效光—化學轉化基礎，其吸收帶邊越寬則太陽能轉化理論效率越高。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（Adv. Mater.，2019；Adv. Mater.，2021；J. Energy Chem.，2021等）、含氧酸鹽（Adv. Energy Mater.，2018）、金屬有機框架類（Adv. Mater.，2018；Sci. China Chem.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022）和金屬氮鹵化物半導體材料（Angew. Chem.，2023；J.Mater. Chem. A，2023）等20余例不同類型、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潛力。

　　在團隊前期氮氧化物設計合成基礎上，為解決傳統氮化路線氮化動力學慢、氮化產物缺陷密度高等問題，本工作以低功函金屬粉末為輔助氮化劑，將金屬粉與金屬氧化物前驅體進行簡單的機械混合，利用氮化過程中金屬粉末向金屬氧化物的供電子效應，有效促進了金屬—氧鍵的活化，并降低氮原子取代的能壘，從而大幅提升氮化動力學；該創新路線不僅實現了系列金屬氮氧化物在低溫、短時間內的高效合成，部分抑制了氮氧化物中缺陷的生成，顯著提升了金屬氮氧化物基光催化劑水分解性能，而且合成了多個以往傳統氮化合成路線無法制備的新材料。該低功函金屬輔助增強外源陰離子植入策略有望拓展至含硫、含碳等混合陰離子或非氧陰離子半導體的設計合成和開發。

　　上述工作以“Metallic powder promotes nitridation kinetics for facile synthesis of （oxy）nitride photocatalysts”為題，于近日發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。該工作的共同第一作者為我所DNL1621組畢業生鮑云鋒博士、博士研究生鄒海、博士后杜仕文，以上工作得到了國家科技部、國家自然科學基金等項目資助。（文/圖 鮑云鋒、鄒海）

　　文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302276