Angew. Chem. Int. Ed：磷烯助催化劑助推可見光光催化產氫效率

cc 6年前 (2017-08-01) 3948瀏覽

【引言】

過渡金屬廣泛的應用于助催化劑來提高光催化產氫性能。但是，金屬基助催化劑的成本較高，儲量有限。迄今為止，金屬基助催化劑鮮有報道。磷烯，一種單層的黑磷，因其出色的高載流子遷移率，強的光吸收以及帶寬可調節等優點，引起了研究人員巨大的關注。和其他二維材料不同的是，通過調節磷烯層數以及生長基底，磷烯可以具有0.3—2.0eV的可調帶寬，同時不改變極佳的電荷遷移率。雖然這些特點給與了磷烯在電子，光電以及催化劑等領域用武之地，但是它在實際應用中還是很受限的。一個關鍵原因就是它在空氣和水中容易降解。因此，如果能夠克服自身不穩定性的問題，磷烯在實際應用的開發中是非常有前景的。

通過太陽能產氫被認為是一種極佳的方式來解決全球能源與環境問題。雖然在過去幾十年該領域取得了很大的進展，但是研究人員在制備高性能，低成本以及穩定的光驅動光催化劑方面仍舊面臨著巨大的挑戰。近期，研究人員發現助催化劑能夠提高光催化劑的效率以及穩定性。但是，從目前來看，大多數助催化劑都是基于過渡金屬，比如，貴金屬——鉑。相反，在整個非金屬助催化劑領域仍舊有很多空白。因此，開發高活性以及廉價的非金屬助催化劑并應用于大規模光催化產氫具有很重要的意義。

磷是一種常見的分布廣泛的元素，在地球上儲量很豐富。而且磷烯作為助催化劑具有以下優良特性：1）具有大量的活性位點來創造強電子耦合，大的表面積。2）出色的遷移率來驅動光激發電子。3）可調的帶寬，提供了很好的機會來形成有效的能帶結構。但是，磷烯在空氣和水中仍有不穩定的問題。因此，在光催化產氫中采用磷烯作為非金屬助催化劑既有前景也有挑戰。

【成果簡介】

近日，來自澳大利亞阿德萊德大學的喬世璋教授（通訊作者）等人在Angewandte Chemie?International Edition上發文，題為 “Phosphorene Co-catalyst Advancing Highly Efficient Visible-Light Photocatalytic Hydrogen Production”.研究人員首次通過DFT計算指導制備少層磷烯納米片（FPS）與金屬硫化物（CdS (CS), Zn0.8Cd0.2S (ZCS) 和 ZnS (ZS)）復合的光催化劑。當將1.0 wt% FPS和CS通過簡單的機械混合后，混合后的材料在可見光光催化產氫效率展現了極大的改善，在420nm處活性達到了11192μmol h-1 g-1，量子產率為34.7%。這出色的活性的提高來自于磷烯和CdS之間強的電子耦合，以及合適的能帶結構，高載流子遷移率和磷烯表面大量的活性位點。

【圖文導讀】

圖1 P-CS的性能，結構以及元素分析圖

a) 1.0 wt%塊體BP，BPS或者FPS分別復合CS, ZCS以及ZS的光催化產氫活性比較；

b) TEM圖；

c) HRTEM圖；

d) 1P-CS的EDX圖；

e) 1P-CS中磷2p軌道的同步加速高分辨XPS圖；

f) FPS和1P-CS的磷的k邊的同步加速X射線吸收近邊結構；

圖2. CS和1P-CS的側面差分電荷密度圖，活性位點比較，時間分辨光致發光圖譜以及SPV圖譜

a)硫化鎘和磷烯側面差分電荷密度圖；

b) CS, 0.5P-CS, 1P-CS, 5P-CS, 10P-CS, FPS, 1Pt-CS, 1.0 wt% Ni負載CS (1Ni-CS), 1.0 wt% NiS負載CS (1NiS-CS), 1.0 wt% Ni(OH)2負載CS (1Ni(OH)2-CS), 1.0 wt% MoS2負載CS (1MoS2-CS), 1.0 wt%氧化石墨烯負載CS (1GO-CS)以及0 wt%碳納米管負載CS (1CNT-CS)活性位點的比較；

c) CS和1P-CS的時間分辨光致發光圖譜；

d) CS和1P-CS的SPV圖譜；

圖3. FPS/CS價帶XPS光譜以及光催化機理示意圖

a)硫化鎘和黑磷塊體的XPS價帶光譜；

b)，c) FPS/CS體系在可見光照射下的光催化機理示意圖；

【總結】

研究人員首次首次通過DFT計算指導制備少層磷烯納米片（FPS）與金屬硫化物（CdS (CS), Zn0.8Cd0.2S (ZCS) 和 ZnS (ZS)）復合的光催化劑。混合后的材料在可見光光催化產氫效率展現了極大的改善，在420nm處活性達到了11192μmol h-1 g-1，量子產率為34.7%。這項工作不僅為非金屬助催化劑應用于光催化領域提供了新的可能性，同時也提供了對不同領域的界面工程的深刻理解(如電子和光電)，而不局限于光催化。

文獻鏈接：Phosphorene Co-catalyst Advancing Highly Efficient Visible-Light Photocatalytic Hydrogen Production (Angewandte Chemie?International Edition, 2017, DOI: 10.1002/anie.201703827)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。材料測試，數據分析，上測試谷！

分享到