通过使用氮气-氨气混合物进行氨解反应，控制SrNbO2N氧 evolution 光催化剂中的Nb(IV)缺陷

表面和晶格Nb?+缺陷通过光谱学鉴定为SrNbO?N光电催化性能低下的主因。通过混合13% NH?/87% N?气氛的氨热合成法，晶格缺陷浓度降低5倍，同时使可见光驱动下的水分解活性提升4倍，电流密度达1.07 mA/cm2，量子效率5.1%。前期研究证实该稀释策略适用于LaTiO?N和BaTaO?N等过渡金属氧氮化物。

　　

摘要

锶铌氧氮化物（SrNbO₂N）是一种具有良好耐腐蚀性的半导体材料，适用于可见光驱动的水分解反应，这是一种非光伏方式的绿色氢燃料生产途径。然而，通过氨解法制备的SrNbO₂N材料通常含有Nb⁴⁺缺陷，这些缺陷会导致电子-空穴复合。在本研究中，我们发现通过在13%：87%（体积比）的NH₃/N₂混合气氛中从金属氧化物合成SrNbO₂N，可以显著减少这类缺陷。电子顺磁共振（EPR）分析表明，在纯NH₃中制备的SrNbO₂N含有磁化率为2.002和2.195的顺磁杂质，这些杂质来源于晶格和表面的Nb⁴⁺缺陷。这些缺陷还会导致在800 nm和1020 nm处出现宽吸收峰，同时晶格缺陷会在表面光电压谱中产生1.55–1.63 eV的信号。改进后的SrNbO₂N中的晶格Nb⁴⁺缺陷数量减少了五倍（8.95 × 10¹⁵ cm^?3），在模拟阳光条件下，其光电流密度达到1.07 mA cm^?2（相对于RHE），并在400 nm处的量子效率为5.1%。根据之前对LaTiO₂N和BaTaO₂N的研究结果，合成过程中减少NH₃的浓度通常对过渡金属氧氮化物的性能有益。

图形摘要

通过光谱分析确定，表面和晶格中的Nb⁴⁺缺陷是导致SrNbO₂N光电化学性能较低的原因。使用稀NH₃进行氨解处理后，SrNbO₂N中的晶格Nb⁴⁺缺陷浓度降低了五倍，太阳能转换效率提高了四倍。根据对LaTiO₂N和BaTaO₂N的研究结果，这种稀氨氮化处理方法普遍适用于氧氮化物材料。

资助信息

美国能源部（DOE-SC0015329）、美国国立卫生研究院（R35GM126961）和美国国家科学基金会（DMR-1828238）。

利益冲突

作者声明存在以下竞争性财务利益：加州大学董事会拥有的一项临时专利申请（USPTO 63/769, 245），该申请披露了在较低氨分压下合成时该化合物的优异性能。

数据可用性声明

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