黑色氮化鎢作為金屬性光催化劑實現全分解水

吳 凱

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黑色氮化鎢作為金屬性光催化劑實現全分解水

吳 凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

光解水技術可以將太陽能轉換存儲為化學能，被視為解決全球性能源與環境問題的理想方式之一1,2。太陽能轉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，單一半導體實現全分解水的吸光范圍較難超過700 nm。目前已報道的半導體光催化材料實現全分解水的最長響應波長是600 nm3。具有金屬性的光催化劑依靠帶內躍遷來產生電子空穴對的這一特點，有可能使其突破700 nm波長光響應這一限制。然而金屬性光催化劑實現全分解水尚未見報道。

最近華東理工大學楊化桂教授課題組首次實現了金屬性光催化劑氮化鎢全分解水，其響應波長做到了765 nm，相關結果發表在上4。他們首先利用鎢酸銨和鹽酸溶液合成反應中間體鎢酸，然后在氨氣環境下通過固相燒結的方法得到氮化鎢。通過導電率和電化學阻抗等測試，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現全分解水，并且最長響應波長可達到765 nm。

研究人員進一步通過密度泛函理論(DFT)來驗證氮化鎢的金屬性，并研究其光催化分解水的機理。態密度的計算結果顯示氮化鎢沒有理論帶隙，驗證了氮化鎢的金屬性。進一步水的吸附能和水的解離能的計算結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生解離。另外，理論計算結果顯示該分解水過程為放熱反應，從熱動力學的角度來講較容易進行。

這一研究成果不僅首次實現了光催化領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現765 nm波長的光吸收。利用金屬性光催化劑實現較長波長光響應的獨特理念，勢必對以后的太陽能轉換利用領域帶來全新的啟示。

(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