黑色氮化钨作为金属性光催化剂实现全分解水

吴 凯



黑色氮化钨作为金属性光催化剂实现全分解水

吴 凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

光解水技术可以将太阳能转换存储为化学能，被视为解决全球性能源与环境问题的理想方式之一1,2。太阳能转换效率一定程度上取决于光催化材料的吸光范围，然而考虑到最小禁带宽度1.23 eV和光解水过程中可能存在的能量损失等因素，单一半导体实现全分解水的吸光范围较难超过700 nm。目前已报道的半导体光催化材料实现全分解水的最长响应波长是600 nm3。具有金属性的光催化剂依靠带内跃迁来产生电子空穴对的这一特点，有可能使其突破700 nm波长光响应这一限制。然而金属性光催化剂实现全分解水尚未见报道。

最近华东理工大学杨化桂教授课题组首次实现了金属性光催化剂氮化钨全分解水，其响应波长做到了765 nm，相关结果发表在上4。他们首先利用钨酸铵和盐酸溶液合成反应中间体钨酸，然后在氨气环境下通过固相烧结的方法得到氮化钨。通过导电率和电化学阻抗等测试，证明了合成的氮化钨具有金属性。光催化性能测试表明他们合成的氮化钨在可见光下可实现全分解水，并且最长响应波长可达到765 nm。

研究人员进一步通过密度泛函理论(DFT)来验证氮化钨的金属性，并研究其光催化分解水的机理。态密度的计算结果显示氮化钨没有理论带隙，验证了氮化钨的金属性。进一步水的吸附能和水的解离能的计算结果说明氮化钨具有很好的吸附水分子的能力，同时被吸附的水分子很容易发生解离。另外，理论计算结果显示该分解水过程为放热反应，从热动力学的角度来讲较容易进行。

这一研究成果不仅首次实现了光催化领域金属性光催化剂全分解水，而且更重要的是，文中提出的氮化钨材料实现765 nm波长的光吸收。利用金属性光催化剂实现较长波长光响应的独特理念，势必对以后的太阳能转换利用领域带来全新的启示。

(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