王連洲教授Adv. Energy Mater.:超薄單晶Ta3N5納米網助力光催化分解水制氫

【引言】

光催化分解水制氫作為綠色無污染的太陽能轉化及儲存技術受到了廣泛的研究和關注。Ta₃N₅由于具有理想的禁帶寬度（2 eV）及導帶、價帶位置而成為備受關注的全分解水光催化劑材料。但載流子遷移率低（1.3-4.4 cm² V^-1 s^-1）、光生載流子復合速率快（＜10 ps）、易發生光腐蝕等問題嚴重制約了Ta₃N₅的發展，并使其制氫效率遠低于理論極限。為了提高Ta₃N₅的制氫效率，就需要針對上述問題提出合理的解決方案。雖然通過摻雜能有效調控Ta₃N₅的禁帶寬度并提高其電導率，但隨之而來的結晶度下降、雜質能級密度增加等問題對提高其光催化制氫效率構成了新的限制。此外，由于難以找到與Ta₃N₅能帶匹配并與之構成良好界面接觸的半導體材料，將Ta₃N₅與其他半導體材料構成異質結也變得異常困難。因此，要提高Ta₃N₅的光解水制氫效率，不僅需要保持塊體Ta₃N₅的高結晶度，還要通過優化納米結構等途徑縮短載流子遷移距離并增加反應活性位點數目。

【成果簡介】

近日，澳大利亞昆士蘭大學化工學院的王連洲教授（通訊作者）和肖慕博士（第一作者）課題組以氧化石墨烯（GO）作為模板合成了二維超薄單晶Ta₃N₅納米網。該Ta₃N₅納米網的厚度僅為2 nm，比表面積高達284.6 m²/g。獨特的二維網狀結構為光解水制氫提供了大量活性位點，并有利于液相傳質和電子傳輸過程，能有效提高光生電子-空穴的分離效率，從而延長光生載流子壽命并提高光生載流子利用率。與塊狀Ta₃N₅相比，Ta₃N₅納米網的價帶位置沒有發生明顯變化，而導帶位置向負方向移動了0.04 eV，從而增強了光生電子的還原性，有利于提高Ta₃N₅光解水制氫的催化活性。Ta₃N₅納米網的光解水制氫效率超過了塊狀Ta₃N₅的10倍，并在入射光波長為450 nm時取得了0.53%的表觀量子效率。該研究成果以“Single-Crystalline Nanomesh Tantalum Nitride Photocatalyst with Improved Hydrogen-Evolving Performance”為題，發表在Advanced Energy Materials 上，羅彬、呂妙強、王松燦參與了這項工作。

【圖文導讀】

圖1. 二維超薄Ta₃N₅納米網的制備過程

圖2. Ta₃N₅納米網的形貌及結構表征

(a-e) SEM、TEM、HRTEM圖像。

(f) SAED圖譜。

(g-i) STEM和EDX元素分布圖。

(j) AFM圖像和高度輪廓圖。

圖3. Ta₃N₅納米網的成分及結構表征

(a) N₂吸附/脫附曲線。

(b)拉曼光譜。

(c-d) Ta 4f、N 1s 的高分辨XPS圖譜。

圖4. 中間產物的表征及固體模型

(a,b) 氧化石墨烯/水合氫氧化鉭的TEM和HRTEM圖像。

(c,d)二維片狀TaO_x的TEM和HRTEM圖像。

(e) 由無定形Ta₂O₅轉化為Ta₃N₅晶體的過程示意圖，其中灰色、紅色、藍色小點分別表示Ta、O、N原子。

圖5. Ta₃N₅納米網與塊狀Ta₃N₅的性能對比

(a) 模擬太陽光輻照條件下（AM 1.5G，100 mW/cm²）的光解水制氫測試結果，其中紅色曲線為1 wt% Pt負載到0.02g Ta₃N₅納米網上的測試結果，測試溶液為體積分數為10%的甲醇水溶液。

(b) 紫外-可見吸收光譜。

(c) 時間分辨熒光衰減譜，激發光源為337 nm的激光，測試波長為586 nm。

(d) 將催化劑負載到玻碳電極上測得的伏安曲線，掃描方向為由負到正，掃描速度為10 mV/s。

【小結】

研究人員以二維片狀氧化石墨烯作為模板，采用犧牲模板法制備出比表面積大、孔參數可控的超薄單晶Ta₃N₅納米網。該納米網結構有利于電子傳輸，并能提高光生載流子分離效率，延長光生載流子壽命，從而提高Ta₃N₅的光解水制氫活性。這項工作為制備高催化活性的二維超薄納米網結構提供了一個普適的方法。

文獻鏈接：Single-Crystalline Nanomesh Tantalum Nitride Photocatalyst with Improved Hydrogen-Evolving Performance (Adv. Energy Mater., 2017, DOI:?10.1002/aenm.201701605)

【通訊作者簡介】

王連洲教授團隊主要從事納米半導體材料的設計、制備及其在太陽能轉化和儲存方面的研究工作。近期先后通過對新型氧化物半導體材料的形貌、晶面及電子結構等調控工程，制備了一系列高性能的光催化及光電催化產氫的材料體系。相關鏈接：

(1) Advanced Materials, 2016,?DOI:10.1002/adma.201601525

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201601525/full；

(2) Angew Chem, 2017, DOI:10.1002/anie.201703491

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201703491/full

本文由材料人新能源學術組 王釗穎 供稿。

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