新型低功函金屬粉末可輔助氮化的合成

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員章福祥團隊開發了一種低功函金屬粉末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。相關成果發表在《先進材料》上。

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。大連化物所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、含氧酸鹽、金屬有機框架類和金屬氮鹵化物半導體材料等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。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202302276