浙江師范大學＆香港理工大學Nature子刊: 冷熱交替條件下二維層狀材料室溫熱釋催化產氫

【引言】

由于對稱性破缺，許多二維層狀材料能表現出塊體材料所不具備的壓電或熱釋電效應，因此，二維材料已經成為當前最有價值的研究領域之一。二維層狀材料如黑磷、金屬硫化物是繼石墨烯之后的熱門的二維半導體材料，它們具備獨特的各向異性光電特性和電學特性，被應用在場效應晶體管、光電元件、氣體傳感器以及太陽能電池等多個方面。氫能被視為未來的理想清潔能源。目前國際上對于光催化制氫研究較多。除了清潔的太陽光能，冷熱變換熱能也是自然界很豐富的能源之一。目前有關于利用冷熱變換能來分解水制氫的研究報道較少。

【成果簡介】

近日，浙江師范大學的賈艷敏教授、武崢教授和香港理工大學的黃海濤教授（共同通訊作者）等人通過液相剝離法制備二維層狀材料，并創新性地利用二維少層晶體材料的對稱性破缺，實現了利用室溫冷熱變換驅動水分解制備清潔可再生氫能。在室溫條件下，通過在冷熱循環交替的環境中對其產氫性能及其對染料分子的降解性能進行研究。在冷熱循環下，在經過24次熱循環后，產氫量達到540 μmol g^-1。并且在5次熱循環后，對5 mg L^?1的羅丹明B（RhB）染料溶液降解率可達到99 %。
此研究成果以“Room-temperature pyro-catalytic hydrogen generation of 2D few-layer black phosphorene under cold-hot alternation”為題發表在Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖一 熱釋催化制氫示意圖

圖二 微觀結構及X射線熒光光譜（XPS）結果

a. X射線衍射圖譜（插圖為SEM圖譜）
b. EDS光譜
c. 寬能量范圍內XPS圖譜
d. P元素2p軌道的XPS圖譜

圖三 壓電力顯微鏡（PFM）結果

a. AFM圖（比例尺為2 μm）
b. PFM振幅圖像
c. PFM相位圖像
d. 場致曲線

圖四 熱釋催化分解水產氫的示意圖及性能

a. 熱釋電勢分布的COMSOL模擬
b. 熱釋催化制氫原理圖
c. 從室溫15 ^oC到65 ^oC的冷熱循環溫度曲線
d. 熱釋催化產氫量

圖五 熱釋催化降解有機染料結果

a. 15 ^oC到65^oC 的冷熱循環下，RhB（5 mg L^?1）染料溶液吸收譜的變化
b. RhB降解率隨熱循環次數的變化。插圖是熱釋催化降解RhB染料的實驗照片。

【小結】

本文報道了對稱性破缺的二維層狀材料的熱釋催化產氫和降解有機染料現象。在熱循環條件下，經在24個冷熱循環激勵下，每克催化劑分解水的產氫量高達540微摩爾。在熱循環5次后，熱釋催化降解RhB溶液降解率可達到99%。該研究工作對于推動利用環境冷熱變換能來分解水制備清潔氫能及降解染料廢水方面具有很好的應用前景。

文獻連接：Room-temperature pyro-catalytic hydrogen generation of 2D few-layer black phosphorene under cold-hot alternation?(Nat. Commun., 2018, DOI:10.1038/s41467-018-05343-w）

【通訊作者介紹】

賈艷敏博士，1980年生，浙江師范大學數理與信息工程學院物理系教授，碩士生導師，浙江省151人才第三層次。研究方向為功能電子材料物理及應用。以第一作者/通訊作者在國際著名期刊如Nature Communications、Energy & Environmental Science (影響因子IF=30.067)、Advanced Materials (IF=21.950)、Nano Energy (IF=13.120)等發表SCI論文50余篇，論文總被引用一千余次。近年來主持完成國家自然科學基金、浙江省自然科學基金一般項目、浙江省科技廳錢江人才項目等。2018年7月榮獲金華市第十四屆年青年科技獎。

武崢博士， 1981年生，浙江師范大學地理與環境科學學院副教授，碩士生導師。研究方向為印染廢水處理及環境保護和清潔能源。第一/通訊作者在環境科學領域著名雜志Nature Communications、Energy & Environmental Science Nanoscale、Electrochemistry Communications、Chemosphere等發表SCI論文38篇。近五年主持國家自然科學基金、浙江省公益性一般項目等科技項目。

黃海濤博士，現任香港理工大學應用物理系副教授，主要研究方向為電介質材料和具有新型納米結構的新能源材料的制備，性能表征及物理機制研究。研究工作曾發表在國際著名學術期刊Nature Photonics, Nature Communications, Energy & Environmental Science，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Angew. Chem. Int. Ed. 和Journal of the American Chemical Society等上，共計發表SCI論文逾200篇。2017年榮獲國土資源部科學技術獎二等獎。曾擔任國際學術期刊Composites Part A，Journal of Applied Electrochemistry和Key Engineering Materials的客座編輯和英國皇家化學會刊物Journal of Materials Chemistry C的顧問委員。現任國際學術期刊Scientific Reports，Composites Communications和Science of Advanced Materials的國際編委。

本文由材料人編輯部新人組孫賀偉編譯，杜成江審核，感謝浙江師范大學賈艷敏老師對本文的指導修改。