近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒課題組成功制備出黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)光催化劑，在太陽光驅(qū)動的有機(jī)催化反應(yīng)中展現(xiàn)出極好的光催化活性。相關(guān)成果Black phosphorus/platinum heterostructure: a highly efficient photocatalyst for solar-driven chemical reactions(《黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)：一種高效廣譜光催化劑》)在線發(fā)表于《先進(jìn)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(xué)鋒。

催化反應(yīng)是目前生產(chǎn)化合物最為有效的方法。然而，催化反應(yīng)往往需要消耗大量不可再生能源以產(chǎn)生熱能驅(qū)動反應(yīng)，這是當(dāng)前導(dǎo)致資源枯竭、環(huán)境污染等問題的重要原因之一。因此，發(fā)展光催化技術(shù)，直接利用太陽能生產(chǎn)化合物具有廣闊的應(yīng)用前景，而其中關(guān)鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發(fā)。當(dāng)前被廣泛研究的二維半導(dǎo)體黑磷具有可調(diào)的直接帶隙、吸收范圍廣、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(yōu)勢，卻受限于穩(wěn)定性不高、光生載流子復(fù)合過快等問題。半導(dǎo)體-金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠加速捕獲光激發(fā)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(jié)光催化中的電荷分離和利用效率。

在該項研究中，課題組設(shè)計了一種新型黑磷/鉑半導(dǎo)體/金屬異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了太陽能高效光催化有機(jī)反應(yīng)。所負(fù)載超小(約1.1 nm)鉑納米顆粒與黑磷納米片之間的強(qiáng)相互作用，使得黑磷表面上產(chǎn)生PtPxOy氧化層，極大增強(qiáng)了黑磷納米片的穩(wěn)定性。與此同時，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收太陽能，其吸收范圍覆蓋太陽光紫外至紅外區(qū)域。通過飛秒泵浦探針顯微光學(xué)系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)，黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)構(gòu)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。在模擬太陽光驅(qū)動的有機(jī)加氫與有機(jī)氧化反應(yīng)后，黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出比其他鉑基催化劑高得多的催化效率，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的熱驅(qū)動催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽能驅(qū)動的有機(jī)催化反應(yīng)中具有廣泛應(yīng)用潛力，該項研究也為金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)催化劑的制備提供了借鑒和參考。團(tuán)隊已申請相關(guān)專利，相關(guān)技術(shù)將依托團(tuán)隊所孵化的企業(yè)中科墨磷(MoPhos)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。

該項目得到中科院前沿重點研究計劃、深圳市基礎(chǔ)研究布局、中國博士后科學(xué)基金等的資助。

來源：深圳先進(jìn)技術(shù)研究院