Adv. Energy Mater.：鹵氧化鉍鉭—有希望的光催化劑用于太陽能水分解

【背景介紹】

能源和環境問題是世界范圍內關注的熱點，可再生能源尤其是太陽能的開發和利用被視為是未來解決這些問題的有效途徑之一。通過人工光合成的途徑將太陽能以化學能的形式儲存起來（如光催化分解水制取氫能）是太陽能利用的重要組成部分，受到了世界各國研究人員的廣泛關注。人工光合成是一個從光激發產生電荷到光生電荷參與化學反應涉及多個時間尺度的復雜過程，每一步均直接影響到太陽能轉化利用效率的高低。光催化材料的捕光效率決定了太陽能轉化利用效率的上限，因此，開發新型的具有合適能帶結構的寬光譜捕光半導體材料始終是該領域長期追求的熱點和難點。

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所李燦院士和李仁貴副研究員（共同通訊）等人通過對具有層狀鈣鈦礦結構的氧化物的層間插入鹵素原子，使鹵素原子參與貢獻其能帶組成調變能帶結構，設計并成功合成了一系列新型可見光響應的半導體光催化劑，鉍鉭鹵氧化物，Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br），通過電化學測試以及理論計算確定了其價帶和導帶位置相對于可逆氫電極（RHE）分別為~-0.70和~1.80eV，分別滿足質子還原和水氧化的化學電位。進一步使用熔鹽處理合成方法，可以成功制備具有規則形貌和高結晶度的Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）。實驗發現該系列材料均能實現可見光下的質子還原和水氧化反應，尤其是對于更為挑戰的水氧化反應表現出非常優異的催化性能，在420nm處水氧化量子效率超過20％。進而該團隊將Bi₄TaO₈Br作為水氧化催化劑，與產氫催化劑Ru / SrTiO₃：Rh耦合，成功構筑了Z機制完全分解水體系，實現了可見光下化學計量比的產氫產氧反應。相關成果以題為“Bismuth Tantalum Oxyhalogen: A Promising Candidate Photocatalyst for Solar Water Splitting”發表在了Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 XRD圖、紫外-可見光譜及SEM圖像

a）Bi₃TaO₇，Bi₄TaO₈Cl和Bi_?4TaO₈Br的XRD圖

b）Bi₃TaO₇，Bi₄TaO₈Cl和Bi_?4TaO₈Br的紫外-可見光譜和催化劑顏色照片（插圖）

c）Bi₃TaO₇，Bi₄TaO₈Cl，Bi_?4TaO₈Br和Bi_?4TaO₈Br-F的SEM圖像

d）Bi₄TaO₈Cl中Bi，Ta和Cl元素的SEM-EDS元素映射

圖2 Mott-Schottky圖及晶體結構、能帶結構

a，b）Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）的Mott-Schottky圖

c，d）Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）的晶體結構和示意圖

e，f）Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）的DOS圖

圖3 光催化性能

a）Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）和Bi₃TaO₇的光催化水氧化性能

b）Bi₄TaO₈X和RuO2/ Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）上的光催化水氧化性能

c）Bi₄TaO₈X光催化水氧化的表觀量子效率（AQE）

d）Bi₄TaO₈X（X = Cl，Br）和Bi₃TaO₇的光催化產氫性能

圖4構建 Z機制完全分解水體系

a）Bi₄TaO₈Br上Z機制完全水分解性能

b）Z機制完全水分解的原理圖

【小結】

該團隊報道了一系列具有Sillen-Aurivillius層狀鈣鈦礦結構的新型可見光響應半導體材料，鉭鉍鹵氧化物，具有良好的可見光吸收和合適的能帶結構，可見光下能夠實現水氧化和質子還原，尤其是具有優異的水氧化性能。該工作不僅開發了一系列新型光催化劑，而且通過能帶結構和氧化還原能力的調控，提出了合理設計新型光催化劑的方法，為高效太陽能轉化利用催化劑體系的設計和構筑提供思路和借鑒。

文獻鏈接：Bismuth Tantalum Oxyhalogen: A Promising Candidate Photocatalyst for Solar Water Splitting（Adv. Energy Mater.,2017,DOI:10.1002/aenm.201701392）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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