低缺陷浓度的单晶 BaxSr1-xTaO2N 固溶体光催化剂用于太阳驱动的水分解

将阳光和水变成燃料

想象只用阳光和水就能制造清洁燃料——没有烟囱、没有碳排放、也没有活动部件。这正是光催化剂的承诺：在光照下将水分解为氢气和氧气的特殊材料。本文报道了一种新型微小晶体，在可见光下显著提高了该反应的效率，使太阳制氢更接近实际应用。

为什么用光分解水如此困难

要用阳光分解水，材料必须吸收光子、在内部分离电荷，然后用这些电荷驱动两个独立的反应：释放氢气的反应和释放氧气的反应。许多已知的光催化剂只能在强紫外光下工作，浪费了大部分太阳光谱；有些能利用可见光，但内部存在大量缺陷，这些缺陷像微小坑洞一样捕获电荷，导致电荷复合并以热的形式消失，无法生成燃料。找到一种在可见光下具有极少此类缺陷的材料，是将水分解变为实用能源技术的核心挑战之一。

用于更好光吸收的新原子混合

研究人员将注意力集中在一类基于钽的氧氮化物钙钛矿上，这类材料可吸收波长约达600纳米的可见光，并且能级与水分解相匹配。他们制备了两种已知化合物 BaTaO2N 和 SrTaO2N 的固溶体——受控混合物，形成名为 BaxSr1−xTaO2N（简称 BSTON）的新材料。通过精细调控钡与锶的比例和起始原料，他们制得了约50纳米的单晶纳米颗粒。这些颗粒具有近乎理想的晶格几何结构和最小的晶格畸变，有利于电子和空穴在不被俘获的情况下迁移。

减少隐性缺陷的巧妙化学法

关键在于他们改变了材料的制备方式。他们没有只从氧化物出发（后者需在富氮高温气氛中发生强烈改性），而是使用两种钽化合物的混合物：TaS2 和 Ta3N5。层状的 TaS2 有助于形成非常小的晶体，而含氮的 Ta3N5 减少了在氮化过程中通常造成缺陷的结构剧变。显微镜和光谱测量表明，在优化版本 BSTON(TN0.2) 中，钡与锶分布均匀，晶体高度有序。灵敏的光学测试显示，与不使用 Ta3N5 制备的材料相比，该版本在禁带中具有更少的电子态——这意味着内部缺陷更少。

平衡氢气和氧气反应

这些结构改进带来了显著的性能提升。在负载微量铂和铬氧化物颗粒后，优化的 BSTON 在含牺牲剂的水溶液中于420纳米处表现出13.5%的表观量子产率——在该类氧氮化物中属顶尖水平。加载钴氧化物助催化剂并经氢气高温处理后，它在相同波长下的产氧量子产率达25.9%。有趣的是，使产氧活化的热处理往往会降低产氢，反之亦然。对光生电荷随时间衰减的详细测量揭示了原因：高温处理在表面附近产生了一种特殊的浅陷阱“尾巴”，能暂时滞留空穴并将其引导向产氧反应，而晶体体相基本保持不变。

表面态在幕后起的作用

研究团队使用先进的超快光学技术和建模表明，这些表面陷阱行为像空穴的受控“跳板”。在原始材料中，电子和空穴主要直接复合，限制了两半反应。经过强热处理后，新的表面态减缓了某些复合通道并延长了表面附近空穴的寿命，使它们更有可能驱动产氧半反应。由于颗粒尺寸很小——与空穴在消失前能移动的距离相当——表面发生的细节在很大程度上决定了产气量。

迈向实用的太阳能制氢

通俗地说，这项研究展示了如何通过“清理”晶体内部并“重塑”其表面，显著提高将阳光和水转化为燃料的能力。新的 BSTON 材料尚未实现一步完成的整体水分解，但在可见光下对分开的产氢和产氧反应所取得的记录级效率，是重大进展。作者认为，通过更好地配置和设计助催化剂并进一步减少残余缺陷，这类固溶体钙钛矿有望成为构建稳健、可扩展体系的基础，从阳光直接生产清洁氢燃料。

引用: Wang, F., Nakabayashi, M., Nandal, V. et al. Single-crystalline Ba_xSr_1-xTaO₂N solid-solution photocatalyst with low defect concentrations for solar-driven water splitting. Nat Commun 17, 2341 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68848-9

关键词: 太阳能分解水, 光催化剂, 钙钛矿氧氮化物, 氢气生产, 表面缺陷