氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。利用太阳能光催化分解水制氢被称为“21世纪梦的技术”，有望从根本上解决能源危机和环境污染所带来的难题，因此受到了各国政府和国内外科研工作者的高度关注。自从1972年日本科学家Fujishima和Honda发现TiO2电极上的光电水产氢现象后，各种类型的光催化剂相继被开发出来，大大推动了光催化分解水制氢的研究进展。铌基半导体光催化剂，因其具有独特的晶体结构和能带结构，在光催化分解水制氢领域表现出非常优异的催化性能，因而具有较大的研究价值和应用前景。在过去几十年中，科研工作者设计合成了多种结构的铌基半导体光催化剂，例如ANbO3（A = Li，Na，K），K4Nb6O17，K2Nb2O6，Ba5Nb4O15，和MNb2O6（M = Ca，Sr，Ba）等。遗憾的是，大多数铌基半导体光催化剂仅能响应紫外光，严重限制了太阳光谱的吸收范围，从而阻碍了光催化分解水性能的进一步提升和潜在应用。因此，开发一种高效、低成本的半导体修饰策略来制备具有优异可见光响应、高催化活性的铌基半导体光催化剂，具有重要的科学意义和研究价值。
近日，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员、周超副研究员以烧绿石型Sn2Nb2O7纳米晶为前驱体，通过离子交换、氨气气氛还原策略设计合成了富含氧缺陷的多孔氮掺杂K2Nb2O6纳米晶体材料。研究发现适量的氮掺杂不仅可以缩小K2Nb2O6晶体的带隙，而且还可以有效提高光生载流子的分离和迁移效率，从而获得了优异的可见光光催化分解水产氢性能。
研究人员通过一种简便高效、低成本的非金属掺杂策略实现了具有优异可见光响应的N掺杂K2Nb2O6半导体光催化剂的制备。首先，研究人员以烧绿石型Sn2Nb2O7纳米晶为前驱体，通过水热条件下的离子交换策略获得了类烧绿石型K2Nb2O6纳米晶；然后，在氨气气氛中进一步煅烧获得不同氮掺杂含量的K2Nb2O6材料，并系统研究了不同氮掺杂量对其可见光光催化产氢性能的影响。研究结果表明，经过氨气还原处理成功实现了K2Nb2O6晶体中氮元素的掺杂，同时伴随着氧空位和Nb4+物种的形成，从而导致了K2Nb2O6晶体的带隙缩小（从3.98 eV减小到2.86 eV），并将光谱吸收范围扩展到了可见光区域。此外，样品的氧空位含量随着氨气处理时间的增加而增加，这表明了当前方法在可控制备氧空位含量方面的实用性。光催化析氢结果能表明，含有适度氮掺杂量的6N–K2Nb2O6纳米晶（400 ℃ 氨气处理6 h）显示出最高的光催化产氢活性，氢气析出速率为20.4 μmol h-1 g-1，几乎是4N-K2Nb2O6（400 ℃ 氨气处理4 h）和8N-K2Nb2O6（400 ℃ 氨气处理8 h）的两倍。这种有趣的活性归因于适量的氮掺杂，能够有效促进光生载流子的分离和迁移，而过量的氮掺杂会产生大量的氧空位，这些氧空位可能充当光生电子与空穴的复合中心，从而抑制了其光催化活性的提升。这项工作为深入理解氮掺杂对光催化剂可见光光催化活性的影响提供了新的见解。
论文信息：
Facile Fabrication of N-Doped K2Nb2O6 Nanocrystals with Defective Pyrochlore Structure for Improved Visible-Light Photocatalytic Hydrogen Production
Jinyuan Wang, Jinhu Wang, Run Shi, Chao Zhou*, Tierui Zhang*
Small Structures
DOI: 10.1002/sstr.202200105
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Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。 最新影响因子11.343。
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