同济大学徐晓翔/中科院金属所刘岗Nature Communications：氟促进Sr2TiO4氮化实现可见光驱动全分解水反应

通讯作者：徐晓翔，刘岗

单位：同济大学大学，中国科学院金属研究所

为了推动零碳经济模式的构建以及清洁能源设施的发展，开发能够高效地将太阳能转化为氢能的光催化材料显得尤为迫切。Sr₂TiO₄作为一种典型的Ruddlesden-Popper（RP）型层状钙钛矿，因其易于生产且由廉价和低毒元素组成而受到广泛关注。尽管科研人员已采用多种掺杂策略将其光吸收阈值拓宽至可见光区域，但目前尚无使Sr₂TiO₄在可见光照射下实现光催化全解水活性的可行方法。N阴离子作为潜在的掺杂剂，在高浓度状态下能够通过促进O与N的2p轨道杂化，提升光生空穴的迁移效率。然而，将N元素掺入金属氧化物中的过程往往复杂且充满挑战，特别是需要经历高温氨解这一非平衡的固-气反应，其动力学过程缓慢，且掺杂水平通常较低。此外，所得产物可能仅具备较低的可见光吸收能力，并伴随大量的缺陷，这极大地限制了其在实际应用中的潜力。

基于此，来自同济大学的徐晓翔教授与中科院金属研究所的刘岗研究员合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Fluorine-expedited nitridation of layered perovskite Sr₂TiO₄ for visible-light-driven photocatalytic overall water splitting”的研究文章。该研究工作采用氟促进氮化策略对宽带隙层状钙钛矿Sr₂TiO₄进行改性，成功实现了可见光驱动下的全分解水反应。

图1 不同的氮化策略

鉴于Sr₂TiO₄中的Ti-O键较强，利用传统方法直接对其进行氮化时面临动力学过程缓慢的挑战。为了克服这一难题，本文采取了一种新策略，即先将Sr₂TiO₄氟化成Sr₂TiO₃F₂，再利用氟的诱导效应弱化Ti-O键，进而促进后续氮化过程中O/N的交换。UV-vis吸收光谱分析表明，氟促进氮化策略能够显著地将Sr₂TiO₄的吸收边红移至可见光区，这一效果明显优于传统的氮化策略，后者仅出现吸收拖尾现象，而未能实现吸收边的红移。

要点二：N/F共掺抑制有害缺陷生成

氟可以作为氮的共掺杂剂有效避免了O/N取代过程中的电荷失衡问题，并显著抑制了产物中Ti³⁺和氧空位等有害缺陷的生成。元素和结构分析表明，氟促进氮化策略显著抑制了材料中缺陷的浓度，如Ti³⁺和氧空位，这对光生电荷的分离至关重要。光谱分析表明，氟促进氮化策略有效抑制了材料中光生电荷的复合，延长了光生电荷的寿命。

要点三：高效可见光驱动全分解水

相较于传统的氮化策略，氟促进氮化策略成功实现了可见光驱动的全分解水反应，H₂和O₂以化学计量比稳定生成。在负载RhCrOy助催化剂并包覆TiOXH保护层后，氟促进氮化Sr₂TiO₄材料在420纳米处的表观量子产率达到0.39%，太阳能至氢能的转化效率达到0.028%，优于目前报道的可见光响应全分解水材料。

要点四：前瞻

本工作通过氟促进氮化策略成功制备了具有宽光谱响应和高效光催化全分解水反应活性的RP型层状钙钛矿材料Sr₂TiO₄。本研究工作为改性具有潜在光催化全分解水反应活性的宽带隙半导体提供了一种可借鉴的新思路。为了拓宽氟促进氮化策略的应用范围，探索利用温和的软化学方法制备非晶态含氟前驱体的可行性，将是后续研究的重要方向。

Fluorine-expedited nitridation of layered perovskite Sr₂TiO₄ for visible-light-driven photocatalytic overall water splitting

徐晓翔教授简介：现为同济大学化学科学与工程学院教授。2006年本科毕业于中国科学技术大学材料化学专业，2010年博士毕业于英国圣安德鲁斯大学化学专业。2010年至2013年在圣安德鲁斯大学从事博士后研究，2011年赴美国加州理工学院从事访问学者工作，2014年入选国家高层次青年人才计划，同年入职同济大学化学科学与工程学院。研究方向包括光催化材料、环境修复、质子导体和燃料电池等。曾主持国家和省部级项目10余项，累计在Nature Materials, Nature communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, ACS Catalysis, Advanced Science等期刊发表SCI论文120余篇，获得美国发明专利授权1项，中国发明专利授权10余项。