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中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-021）——高效Z型光催化分解纯水体系构建新思路

已有 2755 次阅读 2021-9-3 14:11 |系统分类:论文交流

工作简介

——“孪生碳氮、氢氧共济”：高效Z型光催化分解纯水体系构建新思路

西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室、郭烈锦院士团队沈少华教授课题组利用含硼杂质/氮缺陷的g-C₃N₄超薄纳米片成功构建了具有优异光催化分解纯水性能的Z型异质结。相关成果以“含硼杂质/氮缺陷氮化碳基Z型异质结光催化分解纯水”（Boron-doped nitrogen-deficient carbon nitride-based Z-scheme heterostructures for photocatalytic overall water splitting）为题，于2021年3月22日在《自然·能源》（Nature Energy）上发表。

半导体光催化分解纯水产生氢气和氧气被认为是实现太阳能有序转化，助力我国早日完成“双碳目标”的理想途径。但受到光吸收与氧化还原电势之间的热力学矛盾限制，构建高效的半导体光催化分解纯水体系仍面临严峻挑战。受植物光合作用的启发，耦合两种不同光催化剂构建Z型光催化体系有望实现高效分解纯水同时产氢产氧。然而，受半导体催化剂能带结构和催化剂界面载流子传输性能的限制，Z型光催化分解纯水体系的“太阳能-氢能”转化效率（STH）仍低于1%。

针对上述问题，本工作基于能带结构调控同时优化半导体光吸收与界面载流子传输性能，开发了含硼杂质/氮缺陷氮化碳基Z型异质结，有效解决了Z型光催化分解纯水体系的热力学与动力学瓶颈。首先，利用NaBH4热处理将硼杂质与氮缺陷同时引入到g-C₃N₄超薄纳米片的分子结构中。通过改变热处理温度来调控硼杂质和氮缺陷的浓度，获得了一系列能带结构连续可调的g-C₃N₄，实现了光吸收和氧化还原驱动力的协同优化（图1a）。进而，从中选取能带结构不同的g-C₃N₄分别用作产氢和产氧光催化剂，采用静电自组装法构建了一系列g-C₃N₄基2D/2D孪生异质结（图1b）。得益于g-C₃N₄纳米片超薄二维结构、界面强相互作用以及交错排列的能带结构（图1c,d），光生载流子在异质结界面处以Z型路线高效地分离和转移，从而有足够的强氧化/还原能力的载流子去驱动水分解反应。最终，在模拟太阳光照射下，以Pt和Co(OH)2分别作为产氢和产氧助催化剂，构建的g-C₃N₄孪生2D/2D Z型异质结具有优异的光催化分解纯水性能（图1e,f），可按照化学计量比分解纯水同时产生氢气和氧气，STH达到1.16％（图1g），处于国际同期研究的领先水平。

图1. 含硼杂质/氮缺陷的g-C₃N₄孪生Z型异质结光催化分解纯水性能及机理。

该研究工作巧妙利用了二维超薄聚合物半导体界面接触面积大、载流子传输能力强且能带结构易于调控的优点，通过精细调控聚合物半导体的能带结构，可使同种材料分别作为高活性的产氢和产氧光催化剂，并可实现高效的Z型载流子传输，提供足够的水氧化还原驱动力，从而获得优异的光催化分解纯水性能。该工作对半导体光催化材料的能带结构精细调控和界面载流子传输强化进行了方法和理论创新，为设计和构建新型高效的Z型光催化体系提供了一种可借鉴的新思路。该研究推动了太阳能光催化分解水制氢技术的发展进程，鼓舞了光催化研究者的研究信心，为我国早日达成“双碳目标”提供了一种可行的解决路径。

该研究成果发表在Nature Energy期刊上。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室副主任、国家级青年人才沈少华教授为论文通讯作者，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室博士研究生赵大明、王亦清为第一作者，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室为唯一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家重点研发计划、动力工程多相流国家重点实验室自主课题等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00795-9

作者简介

通讯作者

沈少华，西安交通大学教授，博士生导师，动力工程多相流国家重点实验室副主任。

博士毕业于西安交通大学，加州大学伯克利分校博士后。研究方向为太阳能光电催化能源转化。获陕西省教学教育成果特等奖（第二完成人）、陕西省科学技术一等奖（第三完成人）和国家自然科学二等奖（第三完成人）。以第一/通讯作者在Nature Energy、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等期刊上发表论文100余篇，SCI他引12000余次。担任Science Bulletin、Carbon Neutrality、BatteryEnergy等期刊编委和Nano Research、Chinese Chemical Letters、eScience等期刊青年编委。