新型二維半導(dǎo)體材料黑磷，具有帶隙可調(diào)、吸收范圍廣、載流子遷移率高等特點(diǎn)，在能源與催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

黑磷與石墨相氮化碳（以下簡稱氮化碳）的復(fù)合可得到具有優(yōu)異光催化性能的異質(zhì)結(jié)催化劑。然而，當(dāng)前該異質(zhì)結(jié)的原料成本高、產(chǎn)率低，限制了其長遠(yuǎn)發(fā)展與應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能且低成本的黑磷基異質(zhì)結(jié)催化劑具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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)鋒課題組在光催化劑低成本制備與應(yīng)用領(lǐng)域取得新進(jìn)展。論文共同第一作者是課題組博士后溫敏和王佳宏，通訊作者是喻學(xué)鋒。

黑磷氮化碳異質(zhì)結(jié)的制備過程示意圖

在該研究中，課題組以紅磷和尿素為原料，采用工業(yè)上常用的球磨技術(shù)實(shí)現(xiàn)了黑磷及高性能黑磷/氮化碳異質(zhì)結(jié)光催化劑的大規(guī)模制備（上圖），每克催化劑中黑磷的成本僅為0.016元。

X-射線光電子能譜、固體核磁等數(shù)據(jù)顯示黑磷與氮化碳通過形成化學(xué)鍵(P-N)的方式結(jié)合成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)。

穩(wěn)態(tài)及時(shí)間分辨光譜實(shí)驗(yàn)、光電實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)阻抗譜等證明該黑磷/氮化碳異質(zhì)結(jié)具有吸收范圍廣、電荷分離效率高、催化位點(diǎn)豐富等優(yōu)點(diǎn)。

利用該不含金屬的異質(zhì)結(jié)作催化劑，在可見光照射下，無需任何助催化劑的加入，產(chǎn)氫效率即可高達(dá)786 umol·h-1·g-1，也可實(shí)現(xiàn)染料的快速降解。

黑磷氮化碳異質(zhì)結(jié)產(chǎn)氫機(jī)制圖

課題組對(duì)光催化制氫和光催化降解染料過程中光生電子和空穴的光物理過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，明確了反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制（上圖）。并且，這種簡單經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模制備方法也可為其他異質(zhì)結(jié)催化劑的構(gòu)筑提供借鑒。

文獻(xiàn)信息：Wen M, Wang J, Tong R, et al. A Low‐Cost Metal‐Free Photocatalyst Based on Black Phosphorus[J]. Advanced Science, 2018: 1801321.