Solar RRL:磷酸银/MXene肖特基型光催化剂实现无牺牲剂高效光催化产氧

基于半导体材料的太阳能光催化分解水技术一直以来受到全世界的广泛关注。由于水氧化半反应是一个四电子过程且需要较大的驱动力,光催化分解水产氧被认为是人工光合成的瓶颈反应,因此实现高效光催化全分解水的关键之一在于能否有效提升水氧化半反应的效率。目前关于太阳能光催化分解水的研究大多集中在析氢半反应,对于水氧化反应和产氧光催化材料的研究报道相对较少,且主要集中在牺牲剂存在下的分解水产氧。磷酸银因具有较好的可见光吸收、匹配的能级结构和较强的光催化氧化活性等优点,被认为是一类良好的产氧半导体材料并引起研究者的极大兴趣。然而,磷酸银在光照条件下自身存在严重的光腐蚀,且分解水产氧过程一般需添加牺牲剂维持产氧效果。如何更好地分离其产氧过程中光生电子和空穴,理解并揭示光生电荷传输及表面催化反应过程具有重要的研究意义。

近期,南京林业大学杨小飞教授课题组与昆士兰科技大学许景三博士合作,针对磷酸银产氧材料的不足之处,在前期可控构筑磷酸银/石墨烯和磷酸银/石墨相氮化碳复合光催化材料体系的研究基础上,提出将磷酸银与具有高电导率的新型二维层状纳米材料碳化钛(MXene)有效复合,可控构筑零维磷酸银/二维MXene纳米复合光催化材料体系,并系统考察其在不同LED光源激发下的光催化分解水产氧效率。研究结果表明:具有丰富表面基团的二维MXene纳米材料不仅能够能效调控磷酸银的颗粒尺寸,微量添加的黑色MXene粉体同时能够提高复合材料对可见光的吸收。在常用的白光LED灯照射下,添加20 mg少层MXene二维材料所制备出的复合光催化剂AM-20展示出最好的光催化分解水产氧效率。更重要的是,在无牺牲剂硝酸银存在的条件下,复合光催化剂AM-20表现出更好的产氧效果,其效率为纯磷酸银材料的近5倍;其在蓝光LED灯照射下的产氧效果进一步增强。进一步的机理研究表明:高导电的二维MXene纳米片的存在能够加速复合材料界面电荷传输,磷酸银表面产生的光生电子可以通过复合材料的界面肖特基构型迅速转移并停留在二维MXene材料上,从而实现光生电荷的有效分离和输运,并显著抑制磷酸银材料自身的光腐蚀。从而使得停留在磷酸银价带位置上的光生空穴能够高效分解水产氧。该工作有效解决了光催化分解水产氧材料性能和稳定性难同时兼顾的问题,为发展无牺牲剂的高效光催化全分解水材料体系开拓了新思路。 相关论文以“Sacrificial Agent-Free Photocatalytic Oxygen Evolution from Water Splitting Over Ag3PO4/MXene Hybrids”为题在线发表在Solar RRL上(DOI: 10.1002/solr.201900434)。