福大王心晨Adv. Funct. Mater. :黑磷/氮化碳異質結光催化分子氧活化

【引言】

分子氧是綠色、儲量豐富、廉價的氧化劑。不幸的是，大部分有機物由于自旋禁阻反應，在溫和條件下不能被氧分子氧化。光催化活化分子氧可以通過半導體表面的光生電子(e^-)還原氧氣實現，并生成高活性的活性氧物種(ROS)，如超氧自由基(·O₂^-)、羥基自由基(·OH)、單線態氧(¹O₂)和過氧化氫(H₂O₂)。目前，研究人員已對部分含有金屬的半導體的分子氧活化性能進行了探究，但面臨著大規模生產的經濟成本問題。因此，利用儲量豐富的非金屬元素構筑具有良好可見光吸收及高催化分子氧活化活性的光催化劑仍然是具有挑戰性的任務。非金屬的層狀半導體，如聚合物氮化碳(CN)和黑磷(BP)，已成為有吸引力的用于分子氧活化、污染物降解、分解水可見光催化劑。

【成果簡介】

近日，福州大學王心晨教授(通訊作者)等通過超聲輔助一步液相剝層法成功地制備了不含金屬的黑磷(BP)和聚合物氮化碳(CN)組成的異質結光催化劑，并在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“Black Phosphorus and Polymeric Carbon Nitride Heterostructure for Photoinduced Molecular Oxygen Activation”的研究論文。BP與CN復合增強了可見光吸收能力，促進了光催化過程中電荷分離，提升了光誘導的分子氧活化能力，加速了超氧自由基(·O₂^-)和過氧化氫的產生。該工作強調了將能級相配的半導體復合可為提升光催化劑產生活性氧物種性能提供一條簡單、可行的路線。

【圖文簡介】

圖1 BP/CN異質結制備示意圖

超聲輔助液相剝層法制備BP/CN異質結光催化劑示意圖。

圖2 10% BP/CN納米片的形貌表征

a) 10% BP/CN納米片的SEM圖像；

b) 10% BP/CN納米片的TEM圖像；

c) 10% BP/CN納米片的HRTEM圖像；

d) 10% BP/CN納米片的AFM圖像以及相應的厚度曲線。

圖3 BP/CN異質結的晶體結構和光吸收表征

a) BP/CN異質結的XRD譜圖；

b) BP/CN異質結樣品的紫外可見漫反射光譜和照片。

圖4 BP/CN異質結的光催化分子氧活化性能(1)

a) BP、CN和BP/CN光催化降解RhB性能比較(λ > 420 nm)；

b) 10% BP/CN光催化降解RhB過程中活性物種的影響；

c) 可見光下10% BP/CN的EPR光譜；

d) BP、CN和10% BP/CN光催化·O₂^?產生曲線。

圖5 BP/CN異質結的光催化分子氧活化性能(2)

a) BP/CN 系列樣品光催化H₂O₂產生曲線；

b) 10% BP/CN 光催化H₂O₂產生的波長依賴性；

c) 10% BP/CN 光催化H₂O₂產生長效實驗；

d) BP/CN能帶結構示意圖。

【小結】

研究人員通過簡單的超聲輔助液相剝離法制備了非金屬的BP/CN異質結光催化劑。得益于BP/CN復合材料寬廣的可見光吸收范圍、豐富的活性位點以及有效的電荷分離，其表現出優異的光催化分子氧活化活性，加速了超氧自由基和過氧化氫的產生。BP比例10 wt%時最優，照射15 min可分解98%的RhB，10% BP/CN復合材料的速率常數是原始CN的幾乎四倍。該研究揭示了構建異質結以提升光催化活性的前景廣闊，在環境治理、超級電容器和鋰離子電池等其他領域應用潛力巨大。

文獻鏈接： Black Phosphorus and Polymeric Carbon Nitride Heterostructure for Photoinduced Molecular Oxygen Activation?(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201705407)

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