电子科大李严波团队：氮化钽基高效光电催化水分解光阳极

电子科技大学李严波教授等总结了其团队在提高Ta₃N₅光阳极太阳能到氢能转换效率方面所取得的进展。文章涵盖了缺陷调控、梯度能带结构构建、界面工程以及自修复析氧助催化剂表面修饰等多种策略，为光电催化水分解领域的研究和发展提供了重要的思路。

光电化学（PEC）水分解是一种非常有前景的能源转换策略，可以直接将太阳能转化为绿色氢燃料。要构建一个高效的PEC装置，找到一个具有适当带隙和有利带边位置的高效光阳极材料是至关重要的。氮化钽（Ta₃N₅）符合这些基本要求，其理论最大太阳能到氢（STH）转换效率可达到15.9%。因此，它被广泛应用作为PEC水氧化的光阳极材料。然而，严重的体相和界面电荷复合，以及缓慢的水氧动力学，严重限制了其在PEC水分解中的STH转换效率。电子科技大学李严波教授研究团队通过缺陷调控、梯度能带结构构建、界面工程和自修复析氧助催化剂表面修饰等策略，提高了Ta₃N₅光阳极的STH转换效率。到目前为止，获得的半电池STH效率已超过4%，为发展串联PEC装置以实现无偏压太阳能驱动的整体水分解向实际应用奠定了坚实的基础。

本文强调了以下几个关键点：(1)缺陷形成机制：阐明了Ta₃N₅中深能级缺陷的形成机制，为性能改进提供了指导。(2)梯度Mg掺杂对电荷分离的影响：设计了梯度Mg掺杂模型，以匹配缺陷分布并构建梯度能带结构，显著提高了体相电荷分离效率。(3) La掺杂增强光吸收：La掺杂可以缓解各向异性光吸收以增强近带边的光吸收，并提出异质La/Mg掺杂策略以耦合光吸收和载流子传输。(4)界面工程用于电荷提取：通过界面工程构建In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN平面异质结和NbN_x@Mg:Ta₃N₅核壳纳米棒，提高了界面电荷提取效率。(5)自修复OER催化剂：提出了一种新的自修复机制，并发展了一种具有独特自限厚度特性的自修复NiCoFe-B_i光电催化剂。这些研究进展对光电催化领域的进一步发展具有重要的指导意义，并有望进一步改善光电催化水分解系统的效率和稳定性。

论文第一作者为电子科技大学张贝贝副研究员，通讯作者为李严波教授。详见：Beibei Zhang, Zeyu Fan & Yanbo Li. Engineering Tantalum Nitride for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting. Sci. China Chem., 2024, DOI: 10.1007/s11426-024-2058-9.

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【通讯作者简介】

李严波 电子科技大学基础与前沿研究院教授，国家青年人才。2005和2007年分获上海交通大学物理学学士和硕士学位。2010年获东京大学产业机械工学博士学位，其间获“日本文部省奖学金”、中国“国家优秀自费留学生奖学金”、东京大学工学部“研究科长赏”等。2010-2014获日本学术振兴机构（JSPS）资助在东京大学从事博士后研究工作。2014-2016于美国劳伦斯-伯克利国家实验室人工光合成联合研究中心（JCAP）从事博士后研究工作。2016年回国加入电子科技大学，开展光电催化水分解相关的研究工作。近年来，以第一/通讯作者在国内外顶级高水平期刊上发表多篇论文；主持国家重点研发计划课题、海外青年人才引进项目、国家自然科学基金面上项目（2）等；担任Nanoscale Research Letters及电子科技学刊（JEST）副主编。

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