中科大熊宇杰&徐航勋Angew. Chem. Int. Ed.：由超薄化合物纳米片组成的范德华力异质结构用于Z型高效全解水

【引言】

人们一直在思索如何在不使用牺牲剂的情况下研发将太阳能转化为化学染料的光催化全解水系统。虽然结构可调型高分子化合物光催化剂可被视作无机光解水光催化剂的代替品，但是仅有非常少的聚合物光催化剂有合适的能带结构，即拥有可同时驱动水的氧化和质子的还原的氧化还原势，所以研发单成分光解水光催化剂仍具有挑战。受自然界光合作用启发，Z型光催化系统在实现高效全解水中有重大潜力。然而，如何制造无金属的Z型光催化系统仍是个难题。

【成果简介】

近日，中科大熊宇杰教授和徐航勋教授（共同通讯作者）等人利用基于范德瓦耳斯力力的高分子聚合物异质结构实现了无金属Z型光催化系统的构建，相关成果以题目“Van der Waals Heterostructures Comprised of Ultrathin Polymer Nanosheets for Efficient Z-Scheme Overall Water Splitting”发表于期刊Angew. Chem. Int. Ed.。通过利用阿扎胞苷共轭微孔聚合物（aza-CMP）和C₂N超薄纳米片分别作为O₂和H₂的催化剂，该异质结构系统实现了0.23 %的光转氢效率。利用石墨烯作为电子传递媒介增强界面电荷转移，该系统光转氢效率可进一步被提高到0.4 %， 该成果揭示了高分子聚合物在全解水方面的潜力。

【图文导读】

图1. Z型光解水系统的化学结构、TEM图和AFM图

a）Aza-CMP和C₂N的化学结构

b）已剥离aza-CMP的TEM图

c）已剥离C₂N的TEM图

d）Aza-CMP的AFM图和相应的高度轮廓图

e）C₂N的AFM图和相应的高度轮廓图

图2. Aza-CMP、C₂N的SRPES谱和UV/NIR 漫反射光谱

a）由SPRES测得的aza-CMP和C₂N纳米片的二次电子截止谱

b）由SPRES测得的aza-CMP和C₂N纳米片的价带谱

c）Aza-CMP和C₂N的Tauc图

d）导致Z型光催化结构的aza-CMP和C₂N纳米片的电子能带结构

图3. Aza-CMP、C₂N、aza-CMP/C₂N异质结构的成份、结构表征和aza-CMP/C₂N异质结构的光解水性能表征

a）Aza-CMP和C₂N异质结构的TEM图，箭头表示重叠的界面

b）Aza-CMP、C₂N和aza-CMP/C₂N的氮K峰XANES谱

c）铂标记的C₂N和钴标记的aza-CMP形成的异质结构HAADF-STEM元素图

d）不同成份的aza-CMP/C₂N异质结构全解水表现

e）Aza-CMP/RGP/C₂N光催化剂的TEM图

f）在可见光照下aza-CMP/RGP/C₂N产生H₂和O₂的典型时序图

图4. Aza-CMP、C₂N、aza-CMP/C₂N等催化剂的性能表征

a）不同催化剂的光致发光谱

b）不同催化剂的EIS图

c）不同催化剂在黑暗下和光照下的J-V曲线

d）不同催化剂在黑暗下和光照下的J-V曲线

【小结】

该工作阐明了利用范德华力可将不同的超薄化合物纳米片组合成新兴的Z型全解水光催化系统，优化后的该系统可达到0.23 %的光转氢效率。通过加入还原氧化石墨烯作为固体电子媒介，光转氢效率可继续被提升至0.4 %，这一结构能够有效转移电荷并促进光生激子转移。该工作首次提出利用2D化合物纳米片构造用于Z型全解水的范德华异质结构，为Z型全解水光催化剂的设计和研发提供了新的思路。

文献链接：Van der Waals Heterostructures Comprised of Ultrathin Polymer Nanosheets for Efficient Z-Scheme Overall Water Splitting (Angew. Chem. Int. Ed., 2018 , DOI: 10.1002/anie.201710557)

本材料由材料人编辑部小斯同学编译，刘宇龙审核。点我加入编辑部大家庭。

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