光催化整體分解水(OWS)是一種簡單、經濟、清潔、可持續的制氫方法。雖然一些寬帶隙半導體在紫外光照射下對OWS反應非常活躍，但為了實現高效的太陽能轉換，迫切需要開發窄帶隙半導體。值得注意的是，盡管對水的氧化還原反應有合適的帶邊位置，許多窄帶隙半導體對水分解半反應相當活躍，但對OWS保持惰性。

早期的報道表明，在犧牲劑的輔助下，LaTiO₂N是一種高活性的光催化劑，可以進行水分解半反應。盡管水分解半反應有如此高的活性，但LaTiO₂N上的OWS還沒有實現。特別是，LaTiO₂N僅由低毒性的廉價元素組成，并以簡單的鈣鈦礦結構結晶，對于大規模生產具有技術經濟競爭力。因此，尋找提升TiO₂N光催化劑的OWS活性的策略是非常必要的。

近日，同濟大學徐曉翔課題組通過拓撲轉化法制備了一種LaTiO₂N單晶納米片，其具有優異的光催化OWS反應能力，起始波長達600 nm。這些LaTiO₂N單晶納米片具有低濃度的Ti³⁺缺陷，且缺陷分布可控。根據PL發射數據，Ti³⁺的能級比CB低0.25 eV，表面的Ti³⁺缺陷形成淺能級態，很容易從CB中捕獲電子進行表面還原反應；由于VB邊緣向上彎曲，光生空穴被驅動到表面。

考慮到納米片的厚度較小，基于上述機理，大量的光生載流子可以到達表面，從而提高LaTiO₂N的OWS活性。伴隨形成的V_O缺陷對OWS活性是有害的，這是由于V_O缺陷會形成深能級態，本質上是光生載流子復合中心。

實驗結果表明，所制備的LaTiO₂N對OWS表現出明顯的波長依賴性活性，并在600 nm時仍保持活性；同時，在420±20n m處，LaTiO₂N對OWS的表觀量子效率(AQE)高達0.42%。在AM 1.5 G (100 mW cm^-2)照射下，LaTiO₂N也表現出良好耐久性和增加的OWS活性，太陽能-氫氣(STH)轉化效率為0.023%，在已報道的的光催化劑(600 nm下仍有活性)中相當具有競爭力。

值得注意的是，光催化OWS反應的活性是在沒有水氧化助催化劑的情況下實現的；通過負載適當的水氧化助催化劑，可以進一步提高光催化活性。總的來說，該項工作證明在光催化劑上構建分布可調的缺陷以提高活性的可行性，為未來設計OWS窄帶隙半導體提供了指導。

Single-crystalline LaTiO₂N nanosheets with regulated defects for photocatalytic overall water splitting under visible light up to 600 nm. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c04743