科學家成功開發黑磷鉑廣譜光催化劑

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒課題組成功製備出黑磷/鉑異質結光催化劑，在太陽光碟機動的有機催化反應中展現出極好的光催化活性。相關成果Black phosphorus/platinum heterostructure: a highly efficient photocatalyst for solar-driven chemical reactions（《黑磷/鉑異質結：一種高效廣譜光催化劑》）在線發表於《先進材料》（Advanced Materials）。論文共同第一作者是白力誠和王欣，通訊作者是喻學鋒。

催化反應是目前生產化合物最為有效的方法。然而，催化反應往往需要消耗大量不可再生能源以產生熱能驅動反應，這是當前導致資源枯竭、環境污染等問題的重要原因之一。因此，發展光催化技術，直接利用太陽能生產化合物具有廣闊的應用前景，而其中關鍵之處在於高效廣譜光催化劑的開發。當前被廣泛研究的二維半導體黑磷具有可調的直接帶隙、吸收範圍廣、光耦合效率高、載流子遷移率快、比表面積大、活性位點多等眾多優勢，卻受限於穩定性不高、光生載流子複合過快等問題。半導體-金屬異質結構能夠加速捕獲光激發的電子和空穴對，從而延長電荷載流子的壽命，提高肖特基結光催化中的電荷分離和利用效率。

在該項研究中，課題組設計了一種新型黑磷/鉑半導體/金屬異質結，實現了太陽能高效光催化有機反應。所負載超小（約1.1 nm）鉑納米顆粒與黑磷納米片之間的強相互作用，使得黑磷表面上產生PtPxOy氧化層，極大增強了黑磷納米片的穩定性。與此同時，該異質結構能夠有效地吸收太陽能，其吸收範圍覆蓋太陽光紫外至紅外區域。通過飛秒泵浦探針顯微光學系統測試發現，黑磷/鉑異質結構具有0.12 ps的超快光生電子遷移時間。通過原位X射線光電子能譜（XPS）和密度泛函理論（DFT）計算證明，光生電子在鉑納米顆粒表面能夠有效富集。在模擬太陽光碟機動的有機加氫與有機氧化反應後，黑磷/鉑異質結展現出比其他鉑基催化劑高得多的催化效率，也遠遠優於傳統的熱驅動催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽能驅動的有機催化反應中具有廣泛應用潛力，該項研究也為金屬/半導體異質結催化劑的製備提供了借鑒和參考。團隊已申請相關專利，相關技術將依託團隊所孵化的企業中科墨磷(MoPhos)進行產業化轉化。

該項目得到中科院前沿重點研究計劃、深圳市基礎研究布局、中國博士後科學基金等的資助。

黑磷/鉑異質結的結構設計

(a) 不同催化劑光催化苯乙烯加氫性能轉化率對比；(b) 黑磷/鉑光催化和熱驅動苯乙烯加氫性能轉化率對比；(c) 黑磷/鉑在苯乙烯加氫中觀察到的主要同位素效應；(d) 光電子對苯乙烯加氫能壘變化影響

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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