【原】电子科大李严波&成都大学李树龙Angew.：Nb和Ta3N5核-壳光阳极高效太阳能水分解！

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研究内容

光电化学（PEC）水分解作为一种很有前途的太阳能-氢气（STH）转化技术。为了实现高STH效率，设计和制造具有足够的光吸收、有效的电荷分离和高催化活性的半导体光阳极是至关重要的。氮化钽（Ta₃N₅）已成为一种很有前途的光电化学（PEC）水分解光阳极材料。然而，低效的电子空穴分离仍然是阻碍其太阳能到氢气（H₂）转化效率的瓶颈。

电子科技大学李严波和成都大学李树龙通过一步氮化策略设计并实现了一种独特的核-壳纳米棒阵列结构。NbN_x纳米棒@Ta₃N₅超薄可增强光捕获并形成空间电荷转移通道，导致电荷载流子的有效产生和提取。光阳极在1.23 V vs RHE下获得了优异的光电流密度（7 mA∙cm^-2），同时具有优异的稳定性和低起始电势（0.46 V）。相关工作以“Enhanced Spatial Charge Separation in a Niobium and Tantalum Nitride Core-Shell Photoanode: In Situ Interface Bonding for Efficient Solar Water Splitting”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者通过一步氮化策略，采用垂直排列的高导电性NbN_x纳米棒（NR）作为核，采用具有高结晶度的超薄Mg掺杂Ta₃N₅（Mg:Ta₃N₅）层作为壳，实现了一种独特的核-壳纳米棒阵列结构。其中，具有小于30 nm的超薄Mg:Ta₃N₅壳层由沿1D直径方向的单个晶粒组成，有利于高效的电荷转移。

要点2.结果显示，NiCoFe-B_i助催化剂改性的NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR光阳极表现出7 mA∙cm^-2（1.23 V vs RHE，AM 1.5G）的显著光电流密度，Mg:Ta₃N₅壳层厚度为10-30 nm，具有优异的稳定性、低起始电位（0.46 V）和良好的填充因子（0.41）。

要点3.实验结果表明，具有高结晶度的Mg:Ta₃N₅单晶粒壳层形成了电子/空穴横向转移通道，实现了Mg:Ta₃N₄中光生电子-空穴对的快速分离。此外，界面Ta-N-Nb键的原位形成有利于光生电子从Mg:Ta₃N₅层快速转移到NbN_x导电核。

该研究表明在半导体光电极中建立有效的空间电荷转移通道对于实现高效的太阳能水分解至关重要。

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研究图文

图1.（a）核-壳NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR光阳极的制造工艺示意图。（b）Nb₂O₅-NR的俯视SEM。（c）NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR的俯视SEM。（d）NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR的TEM。（e）Nb₂O₅-NR的XRD。NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR和Nb/Mg:Ta₃N₄薄膜的（f）XRD和（g）拉曼光谱。

图2. NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR的（a）TEM-EDS元素分析、（b）线扫描分析以及（c、d）HR-TEM。

图3.（a）Mg:Ta₃N₅基纳米棒或薄膜光阳极的典型J-V曲线。光阳极都用NiCoFe-B_i共催化剂进行改性，并在AM 1.5G光照下，1 M KOH电解质中进行了测试。（b）NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR在低偏压条件下的稳态光电流曲线。（c）根据（a）中的J-V曲线计算的ABPE曲线。（d）在1.0 V vs RHE的施加电势下测量的光阳极的稳定性。（e）NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR光阳极在1.0 V vs RHE的施加电势下的IPCE光谱，以及使用标准AM 1.5G太阳光谱（ASTM G173-03）计算的相应太阳光电流和积分光电流。（f）NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR光阳极在1.23 V vs RHE的施加电势下O₂的析出。

图4. NbN_x@Mg:Ta₃N₄-NR和Nb/Mg:Ta₃N₅薄膜光阳极的（a）表面注入效率（η注入）、（b）在AM 1.5G照明下，在1 M KOH电解质中在1.0 V vs. RHE下测量的PEIS曲线。（c）NbN_x@Mg:Ta₃N₄-NR和（d）Nb/Mg:Ta₃N₅膜光阳极在黑暗中测量的M-S曲线。（e）S-NbN_x@Mg:Ta₃N₄-NR和Nb/NbN_x/Mg:Ta₃N₅膜光阳极的J-V曲线。（f）不同样品在1.23 V vs RHE下的光电流密度。光阳极都用NiCoFe-B_i助催化剂改性。

图5.（a，b）NbN_x@Mg:Ta₃N₄-NR和Nb/Mg:Ta₃N₄薄膜在不同时间（0秒、380秒和580秒）下的N 1s XPS分析。Ta-N-Nb界面的（c）电荷密度，（d）电荷微分密度和（e）态密度。c中的黄色部分表示该截面处的电荷密度分布。CA电荷积累，CR电荷减少。（f）沿垂直于Ta-N-Nb界面的方向的平均电势变化。

图6. 核-壳NbN_x@Mg:Ta₃N₅-NR光阳极中电荷转移/分离过程示意图。

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文献详情

Enhanced Spatial Charge Separation in a Niobium and Tantalum Nitride Core-Shell Photoanode: In Situ Interface Bonding for Efficient Solar Water Splitting

Beibei Zhang, Zeyu Fan, Yutao Chen, Chao Feng, Shulong Li,* Yanbo Li*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https:///10.1002/anie.202305123