钴锌金属有机框架界面效应协同铟掺杂显著提升氮氧化钽光阳极光电化学水分解效率

为解决光电化学(PEC)水分解中TaON光阳极载流子复合率高、氧析出反应(OER)动力学缓慢等问题，研究人员通过In离子掺杂和CoZn-MOFs复合构建In-TaON/CoZn-MOFs-CV光阳极。该材料在1.23 V (vs RHE)下电流密度达2.63 mA cm?2，是TaON的7.3倍，且ΔFmax值从1.77 eV降至0.38 eV，产氧量提升17.7倍，为高效太阳能制氢提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型，利用太阳能驱动光电化学（PEC）水分解制氢被视为实现碳中和的关键技术之一。然而，该技术的核心瓶颈在于光阳极材料——既要具备宽光谱吸收能力，又需高效分离光生载流子并加速缓慢的四电子氧析出反应（OER）。氮氧化钽（TaON）因其2.4 eV窄带隙和适宜的能带位置成为研究热点，但本征载流子复合率高、表面反应动力学迟滞等问题导致其效率远低于理论值。现有改性策略如金属掺杂（Ba、V等）和异质结构建（BiVO₄/TaON）虽有一定效果，但仍难以兼顾活性与稳定性。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将铟（In）掺杂与双金属有机框架（CoZn-MOFs）修饰相结合，开发出高性能In-TaON/CoZn-MOFs-CV光阳极。该工作发表于《Journal of Catalysis》，通过循环伏安（CV）活化处理，使材料在AM 1.5G光照下获得2.63 mA cm^?2的创纪录电流密度，且连续运行10小时仍保持2 mA cm^?2，产氧量达纯TaON的17.7倍。

关键技术方法包括：

1. 气相氨化法制备TaON粉末，电泳沉积构建光阳极基底；
2. 溶液法合成CoZn-MOFs并负载于In-TaON表面；
3. 通过CV处理优化材料界面电子结构；
4. 采用电化学阻抗谱（EIS）、莫特-肖特基测试等分析载流子传输机制。

研究结果
Preparation of TaON photoanode
通过XRD证实In掺杂未改变TaON单斜晶系结构，但引起晶格膨胀（2θ偏移0.2°），表明In³⁺成功取代Ta⁵⁺位点形成缺陷能级。SEM显示CoZn-MOFs以纳米片状结构均匀覆盖TaON表面，比表面积提升3.8倍。

Results and discussion
电化学测试揭示三重协同机制：

1. In掺杂将TaON费米能级正移0.3 eV，增强光生空穴向表面迁移；
2. CoZn-MOFs中Co²⁺作为OER活性中心，使ΔF_max从1.77 eV骤降至0.38 eV；
3. CV处理重构界面化学键，电荷转移电阻降低89%。瞬态荧光光谱显示载流子寿命延长至TaON的4.2倍。

Conclusions
该研究通过原子尺度掺杂（In）与分子尺度界面工程（CoZn-MOFs）的协同设计，突破性地解决了TaON基光阳极的动力学限制。特别值得注意的是，Co²⁺-Zn²⁺双金属位点通过d-d轨道耦合优化了*OOH中间体吸附能，使Tafel斜率降低至52 mV dec^?1。这项工作为开发高效稳定的太阳能-氢能转换系统提供了普适性策略，其“能带调控-界面活化-动力学优化”的三步法设计思路可拓展至其他半导体光电极体系。