朱永法教授等Angew：利用氧化钨中的氧空位调控电子-空穴迁移路径以增强其光催化析氧性能- 大数跨境

首页

朱永法教授等Angew：利用氧化钨中的氧空位调控电子-空穴迁移路径以增强其光催化析氧性能

科学材料站

2021-01-31

导读：该工作设计并合成了一种具有氧空位的氧化钨光催化析氧催化剂，其析氧速率是纯WO3的4.3倍。这项工作利用飞秒瞬态吸收光谱来解释无机材料的光催化析氧机理，并为高效水分解催化剂的设计提供了新的见解。

文章信息

利用氧化钨中的氧空位调控电子-空穴迁移路径以增强其光催化析氧性能

第一作者：魏振，王文超

通讯作者：Edmund C. M. Tse*，David Lee Phillips*，朱永法*

单位：香港大学，清华大学

文章信息

将太阳能高效转化为化学物质的想法将有助于解决即将到来的能源危机。特别是近几十年来，利用可再生能源分解水制氢引起了广泛关注。然而，由于复杂的多电子氧化过程（动力学缓慢）和O-O键形成的高活化能垒（上坡反应的热力学），水分解的大规模制氢主要受到水氧化反应的限制。因此，总的水分解效率受到初级和关键水氧化反应的限制。

钌基和铱基氧化物是一种有效的水氧化催化剂，但它们的低可用性、耐用性和高成本严重阻碍了它们的实际应用。相比之下，非均相半导体在化学稳定性和催化耐久性方面优于贵金属催化剂。氧化钨作为一种典型的半导体催化剂，由于其高稳定性、低成本、低毒性等优点，成为最有发展前途的能源材料之一。

最显著的是，表面氧空位能促进电荷转移，使水的氧化活性最大化。在半导体的特定位置选择性地沉积贵金属助剂，可以进一步提高整个光学系统的光生电子空穴分离效率。

文章简介

近日，香港大学Edmund C. M. Tse，David Lee Phillips，清华大学朱永法教授等在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition 上发表了题为“Steering electron-hole migration pathways using oxygen vacancies in tungsten oxides to enhance their photocatalytic oxygen evolution performance”的研究工作。

本文设计合成了一种含氧空位的氧化钨光催化析氧催化剂，其析氧速率是纯WO3的4.3倍。随后通过瞬态吸收光谱进行的研究发现，氧空位可以产生电子捕获态来抑制光生载流子的直接复合。

此外，铂助催化剂可以促进电子捕获态参与反应，进一步提高光催化性能。这项工作利用飞秒瞬态吸收光谱解释了无机材料的光催化析氧机理，为高效水分解催化剂的设计提供了新的思路。

本文要点

要点一：本文采用适合大规模制备的直接退火法合成了含氧空位的氧化钨。利用飞秒瞬态吸收光谱发现，Ov-WO3的缺陷结构在光催化过程中可以产生更多的电子捕获态，抑制光生载流子的直接复合，提高光催化析氧性能。

要点二：在全光谱下，Ov-WO3-600的光催化析氧速率可达683 mol·h-1g-1，是WO3的4.3倍。铂助催化剂可以激活捕获电子参与反应，进一步提高Ov-WO3-600的光催化析氧性能。

要点三：这项工作为高效析氧催化剂的设计提供了新的思路，也为利用超快光谱技术研究无机材料促进的光催化反应提供了实验框架。

导师专访

科学材料站：朱老师您好，这项工作的出发点什么，希望解决什么样的科学问题？这个合作是怎么产生的呢？这项工作的亮点在哪里？

朱永法教授答复：

目前，许多关于光催化活性的论文将活性的提高归因于光生电子空穴的分离和迁移增强所致，但很少有文章能深入解释这种增强是如何实现的，电子空穴是如何迁移的，而超快光谱是检测电子迁移的强有力手段。

我的一个学生，魏振，2019毕业于我们小组的博士，去香港大学Phillips教授课题组做博士后。菲利普斯教授是超快光谱学领域的专家。他主要研究有机小分子光化学领域。于是我们希望利用超快光谱解释无机半导体纳米光催化材料的电子空穴迁移。虽然最近有一些相关的文献报道，但不够严谨和专业。

我们选取了最常见、最简单、应用最广泛的氧化钨为研究对象，制备了不含氧缺陷和含氧缺陷的氧化钨光催化剂，以及负载铂的氧化钨光催化剂，发现它们的产氧活性有很大差异。通过瞬态吸收光谱和其他相关表征来阐述缺陷态和电子捕获态等对光催化机理影响。用最简单的体系深入解释相关的关键科学问题，通过不同领域、不同学科间的交叉学习，突破现有的知识瓶颈，实现整个学科的进一步发展。

文章链接

Steering electron‐hole migration pathways using oxygen vacancies in tungsten oxides to enhance their photocatalytic oxygen evolution performance

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016170

通讯作者介绍

朱永法，清华大学化学系教授.

国家电子能谱中心常务副主任，国家杰青，Applied Catalysis B 副主编。发表了SCI论文400余篇，引用次数3万余次，H值98， ESI高被引论文有34篇。2014-2020年入选Elsevier高被引学者（化学），2016年入选材料领域高被引学者。

中国感光学会副理事长兼光催化专业委员会主任，中国化学会环境化学专业委员会委员；高校分析测试中心理事会理事长，中国分析测试协会常务理事，环境与能源光催化国家重点实验室学术委员会委员；教育部资源化学重点实验室学术委员会副主任，北京市室内与车内环境净化行业协会会长。

http://www.zhuyfgroup.com/

David Lee Phillips，香港大学化学系讲座教授。

https://sites.google.com/view/dlplab/team

Edmund C. M. Tse，香港大学助理教授。

2016年于伊利诺伊大学香槟分校取得博士学位。2016年至2018年期间于加州理工学院从事博士后工作。2018年9月起就职于香港大学化学系。研究领域包括生物无机电催化与脂质材料的制备与性能研究工作。在相关领域发表包括20余篇，包括以第一作者或通讯作者发表的Nat. Mater.，JACS，ACS Cent. Sci.等。

https://et-lab-hku.weebly.com/