研究快訊！鈣鈦礦氮氧化物光陽極加快水分解

開發使太陽能驅動水分解的策略

使用半導體材料利用太陽能催化H2O分解成H2和O2是當今探索產生能源的方法之一，旨在減少全球對化石燃料的需求，從而限制二氧化碳的排放。

由於太陽光譜的主要能量是由可見光和紅外光部分給出的（即，UV成分僅占整個太陽輻射的5%），因此這一領域的研究人員致力於識別可見/紅外照明下的半導體材料。

與此相一致，在過去50年間發展成兩個不同的、競爭的但不是相互衝突的研究路線：一個是通過例如對例如TiO2的內在/外在摻雜和/或表面修飾，20世紀70年代以來，輕型驅動應用的里程碑式的材料。另一個可見光照射下識別本質上有催化活性的半導體材料。

正是在這一背景下，Domen教授和合作者發表了鈣鈦礦型BaNbO2N光陽極的合成、表徵和太陽能驅動的水分解的文章。BaNbO2N是一種N型AB(O,N)3氧氮化物(A包括 La, Ca, Sr或Ba, B包括Ti, Ta, Nb)，吸收大部分可見光-近紅外波長。AB(O,N)3的帶隙可以通過例如改變A/B成分比這樣簡單的操作來調節。在所有可能的鈣鈦礦型氮氧化物中，以Nb為基礎的氮氧化物因其與鈦和鈦基氮氧化物的帶隙較窄而成為主要的太陽能轉換材料，而且與其他兩種金屬相比，Nb金屬的儲存量更大。然而，這種基於Nb的AB(O,N)3鈣鈦礦的光電化學水分裂活性通常較低，因為NH3流中的氧化物前驅體的氮化也產生有害的Nb5 還原，從而形成表面缺陷或雜質，最終影響光活性。

因此，在合成鈣鈦礦氧氮化物的過程中抑制Nb的還原對獲得高的水氧化活性至關重要。如果應用較溫和的氮化條件原則上可以實現這種要求。然而，適度的退火通常會導致氧化氮的結晶度低，進而增強光激發空穴和電子的複合，從而影響光活性。

圖a）氮化後、在氨的第二次退火之後和惰性氬氣氣氛（Ar）退火之後的BaNb2N光陽極Nyquist圖；插圖為：在氮化和退火之後的BaNb2N的HRTEM和SAED圖案。b）Co(OH)x-FeOx/BaNbO2N在不同條件下進行氮化，然後在1.5G的光照氬氣中退火。

在本項研究中，我們開發了一種特製的退火方法，該退火方法由順序熱處理組成，以提高BaNbO2N的結晶度，克服生成有害的還原Nb：首先，在NH3中，在適當的條件下對氧化前體Ba5Nb4O15進行退火，產生非晶態BaNbO2N;之後在惰性Ar氣氛中退火促進了非晶相的結晶(見圖A中的插圖)，同時抑制了Nb5 物種的減少。由於材料結晶度高，也抑制了光激發半導體向電解質的電荷轉移電阻(圖a)，測定了BaNbO2N上的光電化學水氧化率較高。特別是將Co(OH)x-FeOx共催化劑應用在BaNbO2N上，觀察到一種材料的光學特性，其波長可達740nm，在太陽輻照下測量了5.2 mA cm-2在1.23 VRHE處的光電流(圖B)。

作者因此得出結論，這種「氮化 - 惰性退火」處理順序是一種有效的方法，可以抑制由於非化學計量前體的氮化而形成非活性表面狀態，同時促進BaNbO2N的結晶度，並預期這種處理具有擴展到各種（氧）氮化物材料的潛力，雖然它們具有光學性質，但目前在太陽光照射下仍然表現出低於標準的光響應。

文章來自advancedsciencenews網站，原文題目為Solar-Driven Water Oxidation on Perovskite Oxynitride Photoanodes，由材料科技在線匯總整理。

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