Angew. Chem. Int. Ed：磷烯助催化剂助推可见光光催化产氢效率

cc 8年前 (2017-08-01) 4778浏览

【引言】

过渡金属广泛的应用于助催化剂来提高光催化产氢性能。但是，金属基助催化剂的成本较高，储量有限。迄今为止，金属基助催化剂鲜有报道。磷烯，一种单层的黑磷，因其出色的高载流子迁移率，强的光吸收以及带宽可调节等优点，引起了研究人员巨大的关注。和其他二维材料不同的是，通过调节磷烯层数以及生长基底，磷烯可以具有0.3—2.0eV的可调带宽，同时不改变极佳的电荷迁移率。虽然这些特点给与了磷烯在电子，光电以及催化剂等领域用武之地，但是它在实际应用中还是很受限的。一个关键原因就是它在空气和水中容易降解。因此，如果能够克服自身不稳定性的问题，磷烯在实际应用的开发中是非常有前景的。

通过太阳能产氢被认为是一种极佳的方式来解决全球能源与环境问题。虽然在过去几十年该领域取得了很大的进展，但是研究人员在制备高性能，低成本以及稳定的光驱动光催化剂方面仍旧面临着巨大的挑战。近期，研究人员发现助催化剂能够提高光催化剂的效率以及稳定性。但是，从目前来看，大多数助催化剂都是基于过渡金属，比如，贵金属——铂。相反，在整个非金属助催化剂领域仍旧有很多空白。因此，开发高活性以及廉价的非金属助催化剂并应用于大规模光催化产氢具有很重要的意义。

磷是一种常见的分布广泛的元素，在地球上储量很丰富。而且磷烯作为助催化剂具有以下优良特性：1）具有大量的活性位点来创造强电子耦合，大的表面积。2）出色的迁移率来驱动光激发电子。3）可调的带宽，提供了很好的机会来形成有效的能带结构。但是，磷烯在空气和水中仍有不稳定的问题。因此，在光催化产氢中采用磷烯作为非金属助催化剂既有前景也有挑战。

【成果简介】

近日，来自澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授（通讯作者）等人在Angewandte Chemie International Edition上发文，题为 “Phosphorene Co-catalyst Advancing Highly Efficient Visible-Light Photocatalytic Hydrogen Production”.研究人员首次通过DFT计算指导制备少层磷烯纳米片（FPS）与金属硫化物（CdS (CS), Zn0.8Cd0.2S (ZCS) 和 ZnS (ZS)）复合的光催化剂。当将1.0 wt% FPS和CS通过简单的机械混合后，混合后的材料在可见光光催化产氢效率展现了极大的改善，在420nm处活性达到了11192μmol h-1 g-1，量子产率为34.7%。这出色的活性的提高来自于磷烯和CdS之间强的电子耦合，以及合适的能带结构，高载流子迁移率和磷烯表面大量的活性位点。

【图文导读】

图1 P-CS的性能，结构以及元素分析图

a) 1.0 wt%块体BP，BPS或者FPS分别复合CS, ZCS以及ZS的光催化产氢活性比较；

b) TEM图；

c) HRTEM图；

d) 1P-CS的EDX图；

e) 1P-CS中磷2p轨道的同步加速高分辨XPS图；

f) FPS和1P-CS的磷的k边的同步加速X射线吸收近边结构；

图2. CS和1P-CS的侧面差分电荷密度图，活性位点比较，时间分辨光致发光图谱以及SPV图谱

a)硫化镉和磷烯侧面差分电荷密度图；

b) CS, 0.5P-CS, 1P-CS, 5P-CS, 10P-CS, FPS, 1Pt-CS, 1.0 wt% Ni负载CS (1Ni-CS), 1.0 wt% NiS负载CS (1NiS-CS), 1.0 wt% Ni(OH)2负载CS (1Ni(OH)2-CS), 1.0 wt% MoS2负载CS (1MoS2-CS), 1.0 wt%氧化石墨烯负载CS (1GO-CS)以及0 wt%碳纳米管负载CS (1CNT-CS)活性位点的比较；

c) CS和1P-CS的时间分辨光致发光图谱；

d) CS和1P-CS的SPV图谱；

图3. FPS/CS价带XPS光谱以及光催化机理示意图

a)硫化镉和黑磷块体的XPS价带光谱；

b)，c) FPS/CS体系在可见光照射下的光催化机理示意图；

【总结】

研究人员首次首次通过DFT计算指导制备少层磷烯纳米片（FPS）与金属硫化物（CdS (CS), Zn0.8Cd0.2S (ZCS) 和 ZnS (ZS)）复合的光催化剂。混合后的材料在可见光光催化产氢效率展现了极大的改善，在420nm处活性达到了11192μmol h-1 g-1，量子产率为34.7%。这项工作不仅为非金属助催化剂应用于光催化领域提供了新的可能性，同时也提供了对不同领域的界面工程的深刻理解(如电子和光电)，而不局限于光催化。

文献链接：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学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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