Domen課題組JMCA：光催化產氧活性要想高，晶面調節是奇招

2020-08-28 光催化前沿

在所有可以用於光催化全解水的光催化材料中，ABO3鈣鈦礦類化合物具有其特殊的層狀特性是一類非常有潛力的光催化劑。這些鈣鈦礦化合物有著合適的光催化全解水的能帶寬度，其中A位點是La元素和B位點是Ta元素的鈣鈦礦類化合物已經被廣泛研究，其中還原性的Ta物種是導致光催化全解水效率低的根本原因。在這種情況下，過度金屬離子被作為缺陷引入進光催化劑中，導致供體能級接近導帶。因此，消除材料中的缺陷是提高光催化全解水性能的關鍵。通過帶隙計算，發現LaTaON2有著合適的光催化分解水能帶。經過密度泛函理論計算可知，LaTaON2有著較低的導帶位置，直接導致光催化還原水的性能較差。針對這些問題，日本東京大學的Domen課題組將LaKNaNbO5進行直接氨化，得到了沿[010]方向生長的LaNbON2，當擔載CoOx 作為助催化劑時，展示出了優秀的表觀量子效率（0.82%），光催化活性的提高歸功於LaNbON2沿[010]方向生長和較低的缺陷密度。


示意圖

Y取代的納米晶體鉭酸鑭（n-LTO）（Y為10 mol％，Y為25 mol％，Y為30 mol％）的異位氨解反應產生紅色La0.9Y0.1TaO2N，橙色La0.75Y0TaO2N和橙色La0.7Y0.3TaO2N（圖1）。




綜上所述，鈣鈦礦型d1材料La0.9Y0.1TaIVO2N，La0.75Y0.25TaIVO2N，La0.7Y0.3TaIVO2N是通過10％，25％和30％的Y-取代的n-取代基異位氨解製備的。通過Pechini方法獲得的LTO成功擴展了我們最近發布的前體微結構控制的氨解的適用性。使用n-YTO和m-YTaO4作為前驅物，可以合成螢石缺陷型相或鈣鈦礦型YTa（O，N）3的重量最高的部分，其次為一些剩餘的YTa（O,N）4。在後者中，需要在高溫下進行非常規的初始氨解步驟。對於可見光碟機動的能量轉換過程，帶隙尺寸是至關重要的材料參數。在這種情況下，YTa（O，N）3和螢石缺陷相的混合物呈帶綠色的黑色，其光學帶隙約為2 eV，吸收範圍廣。相反，純淨的缺陷螢石相顯示為淡黃色，具有2.2 eV的清晰帶隙。在La1xYxTaIVO2N（x≤0.3）中，增加的Y取代顯示出光學帶隙的意外趨勢（EG，x = 0.3 EG，x = 0 <EG，x =≈0.1 <EG，x = 0.25），顏色範圍從紅色到橙色。 XPS和XANES數據表明，在La1xYxTaO2N中Ta的氧化態主要為4+。相應地，DFT計算表明，從計算出的光導率可以明顯看出，在基本帶隙旁存在金屬Ta 5d狀態。晶體結構分析和DFT計算的組合表明正交晶系應變是實驗觀察到的光學帶隙趨勢的主要原因。

文章連結：https://doi.org/10.1039/D0TA01489C

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