中國科大韋世強課題組：在光催化全解水研究中取得進展

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授韋世強和特任教授姚濤課題組在利用同步輻射X射線吸收譜學(XAFS)技術精確設計單活性位點鈷基催化劑實現太陽光驅動自發水分解研究中取得新進展，相關研究成果發表在期刊Angew. Chem. Int. Ed.?，并被編輯選為當期熱點文章“Hot Paper”，同時作為“Frontispiece”進行亮點報道。論文的共同第一作者是博士生劉煒和研究生曹林林。

【圖文導讀】

圖1?水分解示意圖

（a）在Co₁-磷化物/ PCN光催化劑上太陽能驅動的水分解示意圖

（b）代表性的HAADF-STEM圖像

（c）對應于（b）中橙色方塊的面積的放大HAADF-STEM圖像

（d）HAADF-STEM圖像（c）中沿著X-Y線的強度分布

（e）Co₁-磷化物/ PCN的元素映射

（f）穩態熒光光譜

（g）時間分辨熒光動力學分析

圖2?電子帶結構圖

（a）Co₁磷化物/ PCN光催化劑的電子帶結構圖

（b）Co₁-磷化物/ PCN，CoP簇/ PCN和g-C₃N₄光電陽極的OCVD測量

（c）從（b）中的OCVD獲得的光載流子的平均壽命（τ_n）

【研究內容】

通過太陽光驅動水分解的“人工光合作用”是實現太陽能轉化生產清潔可再生氫能的理想方法，同時也是解決未來能源與環境危機的理想途徑之一。然而，目前大多數光催化劑在不使用犧牲劑的條件下很難實現太陽光驅動水分解，其效率也遠遠達不到實際應用的需求。光解水過程包含著復雜的多電子、多步驟反應，對催化劑材料的要求非常高，不僅要有合適的能級結構來吸收足夠的可見光，更關鍵的是要有效地分離和傳輸光生電子和空穴，同時還具備高效穩定的產氫和產氧活性位點。因此，尋求新型高效、穩定和廉價的光催化劑依然面臨著極大挑戰。

該研究組提出通過設計構建單活性位點結構來分離光生電子和空穴對，并作為助催化劑實現高效的全解水性能 。利用氮化碳納米空間限域效應合成原子級分散的結構位點，同步輻射X射線吸收譜學以及高角環形暗場像明確形成了單位點Co1-P4構型，從而獲得了單位點鈷基負載磷摻氮化碳復合型光催化劑。該復合結構在電子能帶結構中形成特殊中間態，不僅極大地提高了材料的可見光吸收，而且有效抑制光生電子-空穴對復合，成功將光生載流子壽命顯著提高約20倍。他們所設計的光催化劑實現了在模擬太陽光照、不加犧牲劑和貴金屬的條件下全解水產氫速率達410.3 μmol h^-1?g^-1，其中500 nm波長處量子效率達到2.2%。這種單活性位點復合型光催化劑將為進一步提升現有光催化劑的水分解性能提供新的設計思路和方法，同時也為從原子尺度探究催化活性中心和反應機理提供新的有效途徑。

該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院合肥大科學中心基金等項目的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201708/t20170804_4610560.shtml

文獻鏈接：Single-Site Active Cobalt-Based Photocatalyst with a Long Carrier Lifetime for Spontaneous Overall Water Splitting（Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DOI: 10.1002/anie.201704358 ）

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