徐晓翔教授课题组太阳能光解水研究取得重要进展

对提升太阳能转化率有重要意义

随着人类社会的不断发展，地球上有限的化石燃料已经越来越难以满足人类对能源的需求，并且化石燃料的使用也带来了日益严重的环境问题。因此，寻找清洁、可再生的新能源已经迫在眉睫。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将间歇性的、不易收集存储的太阳能转化为易存储、易运输的化学能是一种理想的能源开发途径——太阳能光催化分解水制氢正是这样一种将太阳能转化为化学能的良好方式。

太阳能光催化分解水制氢利用光催化材料（一般为半导体材料）在太阳光光子的激发下将水分解为氢气和氧气，整个过程清洁无污染，因此受到了广泛的关注和研究。然而，传统的半导体光催化材料面临可见光吸收少、光生电荷易复合等问题，太阳能转化效率普遍不高。公司徐晓翔教授课题组致力于可见光响应的光催化材料的研究，针对这一问题开展了系统的研究工作，提高了半导体材料光催化分解水的活性，对提升太阳能转化率有重要意义。

近日，该课题组研究了Dion-Jacobson型层状钙钛矿材料RbLaTa₂O₇，通过DFT理论计算证明该材料具有特殊的二维电荷传导特征，即电荷的传输被限制在LaTa₂O₇^—钙钛矿层，而层间的电荷传输被禁止了。因此，每层钙钛矿可以作为独立的单元参与光催化反应。根据这一特征，课题组利用离子交换逐步剥离的方法将体相RbLaTa₂O₇剥离为单层的钙钛矿层LaTa₂O₇^—，极大地提高了材料的比表面积。在这种单层的钙钛矿结构中，所有的光生电荷都直接在表面生成，避免了体相的传输。与此同时，课题组利用氮掺杂的手段，获得了可见光响应的单层钙钛矿纳米片LaTa₂O_6.77N_0.15^—（光吸收边达到600纳米）。这种钙钛矿纳米片表现出优异的光催化分解水活性，在可见光激发下还原水制氢和制氧的表观量子产率达到了1.29%和3.27%，远高于体相材料。

日前，相关研究成果以“Ultrathin Lanthanum Tantalate Perovskite Nanosheets Modified by Nitrogen Doping for Efficient Photocatalytic Water Splitting”为题发表于国际知名期刊ACS Nano上（论文链接：ACS Nano(2017), 11, 11441-11448），该刊2016年的影响因子为13.9。徐晓翔教授为单独通讯作者，硕士生吕美林为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金青年基金（21401142）、国家青年人才计划等项目的支持，同时该工作也得到了中科院宁波材料技术与工程研究所沈彩副研究员、公司弭永利教授的合作和支持。

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