大连化物所开发出金属辅助氮化合成宽光谱捕光催化材料新方法

近日，大连化物所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组(DNL1621组)章福祥研究员团队开发了一种低功函金属粉末(Mg、Al、Zr等)辅助氮化的合成新方法，实现了在低温、短时间内高效氮化合成基于d0区金属元素(Ta、Zr、Ti等)的窄带隙金属氮氧化物半导体材料。基于该合成路线，团队有效降低了大部分金属氮氧化物的缺陷密度，并提升了相应材料的光催化性能；此外，采用该氮化路线实现了对SrTiO3和Y2Zr2O7等材料的高浓度氮掺杂，大幅减小其带隙，拓展了氮氧化物半导体光催化材料的开发边界。

宽光谱捕光催化材料设计合成是实现太阳能高效光—化学转化基础，其吸收带边越宽则太阳能转化理论效率越高。大连化物所太阳能研究部长期致力于具有较宽可见光利用的新光催化材料开发，先后设计合成了氮氧化物(Adv. Mater.，2019；Adv. Mater.，2021；J. Energy Chem.，2021等)、含氧酸盐(Adv. Energy Mater.，2018)、金属有机框架类(Adv. Mater.，2018；Sci. China Chem.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022)和金属氮卤化物半导体材料(Angew. Chem.，2023；J.Mater. Chem. A，2023)等20余例不同类型、具有我国自主知识产权的新材料，在光催化分解水制氢方面展现了良好潜力。
 
　　在团队前期氮氧化物设计合成基础上，为解决传统氮化路线氮化动力学慢、氮化产物缺陷密度高等问题，本工作以低功函金属粉末为辅助氮化剂，将金属粉与金属氧化物前驱体进行简单的机械混合，利用氮化过程中金属粉末向金属氧化物的供电子效应，有效促进了金属—氧键的活化，并降低氮原子取代的能垒，从而大幅提升氮化动力学；该创新路线不仅实现了系列金属氮氧化物在低温、短时间内的高效合成，部分抑制了氮氧化物中缺陷的生成，显著提升了金属氮氧化物基光催化剂水分解性能，而且合成了多个以往传统氮化合成路线无法制备的新材料。该低功函金属辅助增强外源阴离子植入策略有望拓展至含硫、含碳等混合阴离子或非氧阴离子半导体的设计合成和开发。
 
　　上述工作以“Metallic powder promotes nitridation kinetics for facile synthesis of (oxy)nitride photocatalysts”为题，于近日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。该工作的共同第一作者为我所DNL1621组毕业生鲍云锋博士、博士研究生邹海、博士后杜仕文，以上工作得到了国家科技部、国家自然科学基金等项目资助。