AM：碱金属离子挥发辅助氮化新策略合成新型双功能水分解光催化剂SmTiO2N

太阳能驱动的光催化水分解被认为是将太阳能直接转化为氢燃料的最有前景的方法之一。为了实现足够高的太阳能-氢能（STH）转化效率，最紧迫的是开发高效的半导体光催化剂，使其能够有效地吸收太阳光，产生具有足够能量值的电子和空穴来驱动水的氧化还原反应，即需要保证半导体的CBM和VBM跨越水的氧化还原电位。在此情况下，一些d⁰（Ti⁴⁺、Ta⁵⁺、Zr⁴⁺、Nb⁵⁺、W⁶⁺等）和d¹⁰（Ga³⁺、In³⁺、Ge⁴⁺、Sn⁴⁺等）的金属氧化物或氧化物盐已被初步用于光催化水分解，其中由于Ti元素的高丰度和出色的配位能力，Ti基半导体光催化剂受到最广泛的关注。然而，这些Ti基氧化物/氧酸盐大多只对紫外线有响应，所以拓展Ti基半导体对可见光的利用，特别是对600 nm左右的太阳光波长的响应（Eg ≈ 2.0 eV）具有十分重要的意义。

近期中科院大连化物所章福祥研究员团队采用层状结构的碱金属盐NaSmTiO₄作为氮氧化物的合成前驱体，合成了钙钛矿结构的新型氮氧化合物半导体材料SmTiO₂N，具有吸收带边至600 nm的宽范围可见光响应能力，在可见光照射下具有半反应光催化水还原产氢和光催化水氧化产氧双功能。该材料的成功制备主要归因于NaSmTiO₄前驱体的层结构和高温下Na⁺离子的挥发效应，两者协同促进氨气的扩散和氮原子对氧原子的取代，缩短了氮化时间且部分抑制了缺陷的生成。优化合成后的SmTiO₂N在420±10 nm照射下的光催化水氧化表观量子效率（AQE）达到16.7%，高于大多数报道的可见光响应光催化剂。有趣的是，一系列氧氮化物RTiO₂N（R=La, Pr, Nd）也可以通过层状结构协同碱金属挥发策略合成，证明了该合成新策略具有一定普适性。

NaSmTiO₄在1223 K下氮化3 h即转相得到钙钛矿结构氮氧化物SmTiO₂N，氮化过程伴随碱金属离子的挥发，SmTiO₂N最终呈现多孔形貌。

氮氧化物SmTiO₂N具有宽可见光谱响应能力，其带隙值为~2.1 eV，且带边能级满足产氢、产氧电位要求，是潜在的全分解水制氢材料。

SmTiO₂N担载产氢助剂Pt和产氧助剂CoO_x之后，具有优异的光催化半反应产氢产氧活性，且在420±10 nm光照下的产氧表观量子效率达到16.7%。

以NaRTiO₄（R = La、Pr、Nd）作为氮化前驱物分别在1123 K下氮化10 h、1223 K下氮化1 h和1223 K下氮化2 h可以合成出钙钛矿结构氮氧化物LaTiO₂N、PrTiO₂N和NdTiO₂N，证明了层状结构协同碱金属离子溢出效应辅助氮化策略的通用性。

该工作发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202101883）上。论文第一作者为大连化物所博士生鲍云锋，通讯作者为章福祥研究员。

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