王连洲教授Adv. Energy Mater.:超薄单晶Ta3N5纳米网助力光催化分解水制氢

艾庞厅 6年前 (2017-09-21) 7514浏览

【引言】

光催化分解水制氢作为绿色无污染的太阳能转化及储存技术受到了广泛的研究和关注。Ta3N5由于具有理想的禁带宽度（2 eV）及导带、价带位置而成为备受关注的全分解水光催化剂材料。但载流子迁移率低（1.3-4.4 cm2V-1s-1）、光生载流子复合速率快（＜10 ps）、易发生光腐蚀等问题严重制约了Ta3N5的发展，并使其制氢效率远低于理论极限。为了提高Ta3N5的制氢效率，就需要针对上述问题提出合理的解决方案。虽然通过掺杂能有效调控Ta3N5的禁带宽度并提高其电导率，但随之而来的结晶度下降、杂质能级密度增加等问题对提高其光催化制氢效率构成了新的限制。此外，由于难以找到与Ta3N5能带匹配并与之构成良好界面接触的半导体材料，将Ta3N5与其他半导体材料构成异质结也变得异常困难。因此，要提高Ta3N5的光解水制氢效率，不仅需要保持块体Ta3N5的高结晶度，还要通过优化纳米结构等途径缩短载流子迁移距离并增加反应活性位点数目。

【成果简介】

近日，澳大利亚昆士兰大学化工学院的王连洲教授（通讯作者）和肖慕博士（第一作者）课题组以氧化石墨烯（GO）作为模板合成了二维超薄单晶Ta3N5纳米网。该Ta3N5纳米网的厚度仅为2 nm，比表面积高达284.6 m2/g。独特的二维网状结构为光解水制氢提供了大量活性位点，并有利于液相传质和电子传输过程，能有效提高光生电子-空穴的分离效率，从而延长光生载流子寿命并提高光生载流子利用率。与块状Ta3N5相比，Ta3N5纳米网的价带位置没有发生明显变化，而导带位置向负方向移动了0.04 eV，从而增强了光生电子的还原性，有利于提高Ta3N5光解水制氢的催化活性。Ta3N5纳米网的光解水制氢效率超过了块状Ta3N5的10倍，并在入射光波长为450 nm时取得了0.53%的表观量子效率。该研究成果以“Single-Crystalline Nanomesh Tantalum Nitride Photocatalyst with Improved Hydrogen-Evolving Performance”为题，发表在Advanced Energy Materials上，罗彬、吕妙强、王松灿参与了这项工作。

【图文导读】

图1. 二维超薄Ta3N5纳米网的制备过程

图2. Ta3N5纳米网的形貌及结构表征

(a-e) SEM、TEM、HRTEM图像。

(f) SAED图谱。

(g-i) STEM和EDX元素分布图。

(j) AFM图像和高度轮廓图。

图3. Ta3N5纳米网的成分及结构表征

(a) N2吸附/脱附曲线。

(b)拉曼光谱。

(c-d) Ta 4f、N 1s 的高分辨XPS图谱。

图4. 中间产物的表征及固体模型

(a,b) 氧化石墨烯/水合氢氧化钽的TEM和HRTEM图像。

(c,d)二维片状TaOx的TEM和HRTEM图像。

(e) 由无定形Ta2O5转化为Ta3N5晶体的过程示意图，其中灰色、红色、蓝色小点分别表示Ta、O、N原子。

图5. Ta3N5纳米网与块状Ta3N5的性能对比

(a) 模拟太阳光辐照条件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）的光解水制氢测试结果，其中红色曲线为1 wt% Pt负载到0.02g Ta3N5纳米网上的测试结果，测试溶液为体积分数为10%的甲醇水溶液。

(b) 紫外-可见吸收光谱。

(c) 时间分辨荧光衰减谱，激发光源为337 nm的激光，测试波长为586 nm。

(d) 将催化剂负载到玻碳电极上测得的伏安曲线，扫描方向为由负到正，扫描速度为10 mV/s。

【小结】

研究人员以二维片状氧化石墨烯作为模板，采用牺牲模板法制备出比表面积大、孔参数可控的超薄单晶Ta3N5纳米网。该纳米网结构有利于电子传输，并能提高光生载流子分离效率，延长光生载流子寿命，从而提高Ta3N5的光解水制氢活性。这项工作为制备高催化活性的二维超薄纳米网结构提供了一个普适的方法。

文献链接：Single-Crystalline Nanomesh Tantalum Nitride Photocatalyst with Improved Hydrogen-Evolving Performance(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701605)

【通讯作者简介】

王连洲教授团队主要从事纳米半导体材料的设计、制备及其在太阳能转化和储存方面的研究工作。近期先后通过对新型氧化物半导体材料的形貌、晶面及电子结构等调控工程，制备了一系列高性能的光催化及光电催化产氢的材料体系。相关链接：

(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

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术组 王钊颖 供稿。

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