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深圳先進(jìn)院成功制備出黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)光催化劑
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員課題組成功制備出黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)光催化劑，在太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)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“黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)：一種高效廣譜光催化劑”在線發(fā)表于材料領(lǐng)域頂級(jí)刊物《先進(jìn)材料》。論文共同第一作者是白力誠(chéng)博士和王欣博士，通訊作者是喻學(xué)鋒研究員。
催化反應(yīng)是目前生產(chǎn)化合物最為有效的方法，然而其往往需要消耗大量不可再生能源以產(chǎn)生熱能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，是導(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(yáng)能生產(chǎn)化合物應(yīng)用前景廣闊，其中關(guān)鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發(fā)。當(dāng)前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、光耦合效率高等眾多優(yōu)勢(shì)，卻受限于穩(wěn)定性不高、光生載流子復(fù)合過快等。半導(dǎo)體-金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)能加速捕獲光激發(fā)的電子和空穴對(duì)，延長(zhǎng)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。
課題組設(shè)計(jì)了一種新型黑磷/鉑半導(dǎo)體/金屬異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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。同時(shí)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效吸收太陽(yáng)能，吸收范圍覆蓋太陽(yáng)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(cè)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(shí)間。通過原位X射線光電子能譜（XPS）和密度泛函理論（DFT）計(jì)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(yáng)光驅(qū)動(dòng)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，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的熱驅(qū)動(dòng)催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有機(jī)催化反應(yīng)中具有廣泛應(yīng)用潛力，本研究也為金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)催化劑的制備提供了參考。團(tuán)隊(duì)已申請(qǐng)相關(guān)專利，相關(guān)技術(shù)將依托團(tuán)隊(duì)所孵化的企業(yè)中科墨磷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。
黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
