吳 凱

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黑色氮化鎢作為金屬性光催化劑實(shí)現(xiàn)全分解水

吳 凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871)

光解水技術(shù)可以將太陽能轉(zhuǎn)換存儲為化學(xué)能，被視為解決全球性能源與環(huán)境問題的理想方式之一1,2。太陽能轉(zhuǎn)換效率一定程度上取決于光催化材料的吸光范圍，然而考慮到最小禁帶寬度1.23 eV和光解水過程中可能存在的能量損失等因素，單一半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)全分解水的吸光范圍較難超過700 nm。目前已報道的半導(dǎo)體光催化材料實(shí)現(xiàn)全分解水的最長響應(yīng)波長是600 nm3。具有金屬性的光催化劑依靠帶內(nèi)躍遷來產(chǎn)生電子空穴對的這一特點(diǎn)，有可能使其突破700 nm波長光響應(yīng)這一限制。然而金屬性光催化劑實(shí)現(xiàn)全分解水尚未見報道。

最近華東理工大學(xué)楊化桂教授課題組首次實(shí)現(xiàn)了金屬性光催化劑氮化鎢全分解水，其響應(yīng)波長做到了765 nm，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在上4。他們首先利用鎢酸銨和鹽酸溶液合成反應(yīng)中間體鎢酸，然后在氨氣環(huán)境下通過固相燒結(jié)的方法得到氮化鎢。通過導(dǎo)電率和電化學(xué)阻抗等測試，證明了合成的氮化鎢具有金屬性。光催化性能測試表明他們合成的氮化鎢在可見光下可實(shí)現(xiàn)全分解水，并且最長響應(yīng)波長可達(dá)到765 nm。

研究人員進(jìn)一步通過密度泛函理論(DFT)來驗(yàn)證氮化鎢的金屬性，并研究其光催化分解水的機(jī)理。態(tài)密度的計算結(jié)果顯示氮化鎢沒有理論帶隙，驗(yàn)證了氮化鎢的金屬性。進(jìn)一步水的吸附能和水的解離能的計算結(jié)果說明氮化鎢具有很好的吸附水分子的能力，同時被吸附的水分子很容易發(fā)生解離。另外，理論計算結(jié)果顯示該分解水過程為放熱反應(yīng)，從熱動力學(xué)的角度來講較容易進(jìn)行。

這一研究成果不僅首次實(shí)現(xiàn)了光催化領(lǐng)域金屬性光催化劑全分解水，而且更重要的是，文中提出的氮化鎢材料實(shí)現(xiàn)765 nm波長的光吸收。利用金屬性光催化劑實(shí)現(xiàn)較長波長光響應(yīng)的獨(dú)特理念，勢必對以后的太陽能轉(zhuǎn)換利用領(lǐng)域帶來全新的啟示。

(1) Meyer, T. J.2008,, 778. doi: 10.1038/451778a

(2) Liu, J,; Liu, Y.; Liu, N.; Han, Y.; Zhang, X.; Huang, H.; Lifshitz, Y.; Lee, S. T.; Zhong, J.; Kang, Z.2015,, 970. doi: 10.1126/science.aaa3145

(3) Pan, C.; Takata, T.; Nakabayashi, M.; Matsumoto, T.; Shibata, N.; Ikuhara, Y.; Domen, K.2015,, 2955. doi: 10.1002/anie.201410961

(4) Wang, Y. L.; Nie, T.; Li, Y. H.; Wang, X. L.; Zheng, L. R.; Chen, A. P.; Xue, Q. G.; Yang, H. G.2017,, 7430. doi: 10.1002/anie.201702943

Black Tungsten Nitride as a Metallic Photocatalyst for Overall Water Splitting

WU Kai

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10.3866/PKU.WHXB201706152