通过工程化方法制备混合阴离子结构的钴氧氮化物，以实现高效的太阳能水分解和氮固定

《Energy & Fuels》：Mixed-Anion Band Engineered Cobalt Oxynitride for Efficient Solar Water Splitting and Nitrogen Fixation

该研究提出通过战略能带工程以钴硝化物（CN）合成钴氧化硝化物（CON），其单相结构经XRD、显微拉曼及HRTEM证实，DFT计算表明氮原子体对角排列可优化热力学稳定性。光学分析显示CON带隙较CO降低0.21 eV，源于O 2p-N 2p杂化形成的固溶体型Co-O-N结构。光催化测试表明CON在染料降解（92%）、H?（1748.6 μmol g?1 h?1）和NH?（411.2 μmol g?1 h?1）效率上均优于CO（62%）和CN（39%），归因于混合阴离子协同优化电荷分离与传递。该成果为能源转换和环境治理提供新材料范式。

　　

本研究提出了一种基于氮化钴（CN）前体的钴氧氮化物（CON）合成策略，采用结构工程方法进行调控。通过X射线衍射（结合Rietveld精修）、微拉曼光谱和高分辨率透射电子显微镜等综合表征技术，证实了单相CON结构中存在Co–O和Co–N键合，揭示了钴在该体系中的协同配位环境。密度泛函理论（DFT）计算表明，氧氮化物结构中氮原子沿体对角线的排列方式能够显著提升热力学稳定性：这种排列方式减少了阴离子间的排斥作用，使Co–N键合更加对称，并降低了晶格应变。光学及物理化学分析结果显示，CON的光吸收能力增强，带隙宽度从钴氧化物（CO）的2.62 eV降至2.41 eV。这一改进得益于O 2p和N 2p轨道的有效杂化，形成了具有局部键合异质性的固溶型Co–O–N晶格，而非传统的多相结构。CON体系表现出优异的光催化性能：染料降解效率高达约92%，氢气（H?）生成速率为1748.6 μmol g?1 h?1，氨气（NH?）生成速率为411.2 μmol g?1 h?1，远超钴氧化物（CO：约62%，512.5 μmol g?1 h?1）和氮化钴（CN：约39%，152.4 μmol g?1 h?1）体系。这些优异性能源于混合阴离子氧氮化物晶格内的协同作用，有效优化了光催化反应过程中的电荷分离与传输过程。本研究表明，钴氧氮化物是一类具有广泛应用前景的能量转换与环境修复材料，为传统金属氧化物的功能调控提供了新的思路。