黑磷 —用于可见光产氢的非金属单质光催化剂新成员

AM-yangshangfeng通过光催化分解水产生氢气,可以实现将太阳能转换为化学能源,具有能耗低,过程简单的优点。相比于传统的金属基光催化剂,非金属光催化剂(尤其是元素单质)因组成简单,原料来源广泛,环境友好等特点,具有更为广阔的应用前景。然而目前已知的可用于光催化产氢的非金属光催化剂很少,而且产氢效率偏低,因此开发新型非金属光催化剂具有非常重要的科学意义。

在已知的磷的三种常见的同素异形体(白磷,红磷和黑磷)中,黑磷的发现已有上百年的历史,近几年来发现其具有独特的二维层状结构以及带隙可调等优异性能,并引发了新一轮二维材料的研究热潮。特别地,黑磷具有带隙随着层数可调(块体为0.3 eV,单层为2.0 eV)的特点,使其可充分吸收可见光,从而有可能具有优良的光催化性质,然而实验上还未见报道。

最近,中国科学技术大学杨上峰教授团队与季恒星教授团队和杜平武教授团队合作,从实验上证实了黑磷可用于可见光条件下光催化产氢。研究人员通过简单的机械球磨的方法成功实现了对块体黑磷(bulk BP)的剥离,剥离后的二维黑磷(BP-BM)在没有任何助催化剂存在的条件下,其可见光产氢速率可达512 µmol h−1 g−1,比块体黑磷提高了约18倍。BP-BM的光催化产氢速率的提高主要归因于球磨剥离后的黑磷的带隙增大,使价带与导带的位置更有利于光生电子-空穴的快速分离,从而有利于还原质子产生氢气。这项发现从实验上揭示了黑磷具有光催化产氢的特性,不仅为非金属单质光催化剂引入了新的成员,而且扩展了二维材料的应用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201605776)上。

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