本网讯（通讯员 肖婷）近日，国际顶尖期刊《自然-催化》（Nature Catalysis）发表了电子科技大学基础与前沿研究院李严波教授团队的最新研究成果《氮化钽（Ta3N5）能带工程与缺陷调控在高效光电化学水氧化中的应用》（“Band structure engineering and defect control of Ta3N5 for efficient photoelectrochemical water oxidation”），该论文的第一作者肖业权博士是我校材料与化工学院2017届硕士毕业生。
该研究通过对氮化钽（Ta3N5）薄膜进行能带工程和缺陷调控，实现了高性能的光电催化水分解光阳极器件。
Ta3N5作为水分解光阳极材料，具有宽可见光吸收、能带位置合适的优点，在人工光合成光电催化制氢领域具有重要的应用前景，其理论太阳能-氢能转化效率可达15.9%。但是，受Ta3N5材料体相和表面缺陷的限制，目前得到的最高效率只有2.72%，远低于其理论值。研究人员发现，Mg离子掺杂对低价态钽（Ta3+）缺陷的形成有很好的抑制作用；由于Ta3N5薄膜中Ta3+缺陷存在梯度分布，通过调控Mg离子的梯度使之与Ta3+缺陷的分布相匹配，可以更加有效地降低深能级缺陷态密度，抑制深能级缺陷导致的载流子复合，同时还会使Ta3N5薄膜形成梯度能带结构。与均匀掺杂的薄膜相比，梯度掺杂的能带结构可以大大提高光生电荷的分离效率（图1）。
图1.梯度Mg离子掺杂对Ta3N5薄膜能带结构及光电催化性能的影响（图片来源及版权：Nature Catalysis及论文作者）
将这种有效的载流子管理策略与高效的NiCoFe-Bi产氧助催化剂相结合，梯度Mg离子掺杂的Ta3N5光阳极实现了最高3.31％的光电转换效率（图2），这是目前Ta3N5光阳极的最高报道值，同时也高于目前报道的Fe2O3，BiVO4，n-Si等光阳极的光电转换效率（图2）。其优异的光电催化性能表明通过梯度掺杂进行能带工程和缺陷控制是一种有效的载流子管理策略，可用于指导新型半导体吸光材料的设计，以实现高效的太阳能转换。
图2.单光子光阳极的最高效率值（图片来源及版权：Nature Catalysis及论文作者）
肖业权，现为电子科技大学基础与前沿研究院2017级博士，目前主要研究内容为钽基氮氧化合物的制备及其光电催化性能的研究。现已在Nature Catalysis、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Sciences、ACS Catalysis、Chemistry of Materials、Solar RRL等期刊上以第一作者或合作作者发表论文15篇，授权国家发明专利4项。2017年毕业于三峡大学新能源材料与器件专业，获硕士学位。在校学习期间，成绩优秀，在谭新玉教授课题组的资助下，赴清华大学材料学院联合培养1年，从事石墨烯异质结太阳能电池方向的研究。硕士期间以第一作者发表国际高水平论文2篇，获批授权发明专利2项，其中一篇论文被Solar PRL选为封面论文。
谭新玉教授课题组目前主要致力于新型高效太阳能电池、智洁超疏水材料及辐射制冷等方面研究。团队现有科研人员30余人，其中楚天学者2人、二级教授1人、副教授4人、在读博士3人；先后完成国家级、省部级科研项目10余项；在国内外学术期刊发表论文100余篇，获国家发明专利20余项。团队与清华大学、华中科技大学、密歇根大学、密苏里大学堪萨斯分校、德国卡尔斯鲁厄理工学院等多所国内外知名高校建立了长期稳定的合作关系，共同培养出了多名优秀研究生。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-020-00522-9
