【DFT+实验】AEM：N-NaTaO3@Ta3N5核壳异质结构与可控界面实现高效光催化水分解

利用粒子光催化剂的光催化水分解可以同时产生氢气和氧气，这为将太阳能存储为化学燃料提供了一条有前景的经济有效的途径。从根本上说，这一过程的关键在于设计性能优异的光催化剂，催化剂需要具有适当的能带位置，以有效地吸收光、促进电荷转移和表面反应。

最近，Ta₃N₅因其合适的带隙(2.0-2.1 eV)和热力学上满足氧化还原反应的能带位置而成为最有前景的光催化水分解候选催化剂之一。然而，Ta₃N₅固有的深层缺陷和非平衡的氧化还原能力极大地限制了其进一步的应用。具体来说，Ta₃N₅通常是通过Ta₂O₅在高温下长时间氮化制备而成的，这很容易在内部产生还原性的Ta(Ta³⁺)中心。此外，相对于质子还原，能带位置也使Ta₃N₅更有利于水氧化，这两个因素也导致Ta₃N₅的光催化性能不理想。

基于此，湖南大学黄宏文和西安交通大学刘茂昌(共同通讯)等人制备了N掺杂NaTaO₃@Ta₃N₅(N-NaTaO₃@Ta₃N₅)催化剂，该催化剂不负众望的展现出了优异的催化性能。

本文在300 W Xe灯照射下测试了这些制备的催化剂的光催化水分解性能。为了提高活性，本文将Rh@CrO_x核-壳助催化剂光沉积在光催化剂表面。根据研究结果可以发现，N100-2 h的催化活性最高，H₂和O₂的产生速率分别为25.12 µmol h^-1和12.48 µmol h^-1，比NaTaO₃高约31.62倍。这种优越的性能是由于N掺杂延长了光吸收，以及通过核-壳异质结构界面的O-Ta-N键有效的促进了载流子的转移和分离。

虽然NaTaO₃和N50-2h对光生载流子的分离和转移几乎没有贡献，但是过量的NH₃氮化(N150-2h和N250-2h)会造成表面侵蚀和缺陷生长，进而会破坏催化剂表面的活性位点。值得注意的是，N100-2 h的表观量子产率(AQYs)在350 nm达到9.32%，在550 nm达到6.28%。N100-2 h具有高AQYs的原因可能是掺杂N的结晶良好的NaTaO₃和表面Ta₃N₅薄层诱导了优异的光吸收并加速了表面氧化还原反应。

本文通过密度泛函理论(DFT)计算，研究了由O-Ta-N共价键构成的界面上的电荷转移特性。结果表明，从Ta₃N₅到NaTaO₃的方向产生了一个内建电场，通过改善电子转移行为，显著影响了电荷注入和载流子动力学，这也导致电荷密度和平均静电势发生显著变化。此外，本文通过莫特-肖特基测试还可以得知NaTaO₃和Ta₃N₅的平带电位(E_fb)分别为-0.95和-0.50 V_RHE，进而可以得知NaTaO₃和Ta₃N₅的导带(CBs)别为-1.05 V和-0.60 V_RHE。

基于这些结果，本文可以得出结论：掺杂的NaTaO₃的VBs/MS中的电子和Ta₃N₅的VBs中的电子分别被激发到它们的CBs中。在界面电子场的诱导下，掺杂层NaTaO₃中的光致电子和空穴通过O-Ta-N迅速转移到Ta₃N₅上。随后，Rh@Cr₂O₃助催化剂进一步进行质子还原，而Ta₃N₅在VB中的空穴将参与水氧化反应，进而实现了这些电荷载流子的空间分离和氧化还原反应。总之，这项工作将为在原子水平上构建异质结构催化剂以加速水分解提供一个有希望的切入点。

N-NaTaO₃@Ta₃N₅ Core-Shell Heterojunction with Controlled Interface Boosts Photocatalytic Overall Water Splitting, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202301158.

https://doi.org/10.1002/aenm.202301158.

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