福大王心晨Adv. Funct. Mater. :黑磷/氮化碳异质结光催化分子氧活化

【引言】

分子氧是绿色、储量丰富、廉价的氧化剂。不幸的是，大部分有机物由于自旋禁阻反应，在温和条件下不能被氧分子氧化。光催化活化分子氧可以通过半导体表面的光生电子(e^-)还原氧气实现，并生成高活性的活性氧物种(ROS)，如超氧自由基(·O₂^-)、羟基自由基(·OH)、单线态氧(¹O₂)和过氧化氢(H₂O₂)。目前，研究人员已对部分含有金属的半导体的分子氧活化性能进行了探究，但面临着大规模生产的经济成本问题。因此，利用储量丰富的非金属元素构筑具有良好可见光吸收及高催化分子氧活化活性的光催化剂仍然是具有挑战性的任务。非金属的层状半导体，如聚合物氮化碳(CN)和黑磷(BP)，已成为有吸引力的用于分子氧活化、污染物降解、分解水可见光催化剂。

【成果简介】

近日，福州大学王心晨教授(通讯作者)等通过超声辅助一步液相剥层法成功地制备了不含金属的黑磷(BP)和聚合物氮化碳(CN)组成的异质结光催化剂，并在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Black Phosphorus and Polymeric Carbon Nitride Heterostructure for Photoinduced Molecular Oxygen Activation”的研究论文。BP与CN复合增强了可见光吸收能力，促进了光催化过程中电荷分离，提升了光诱导的分子氧活化能力，加速了超氧自由基(·O₂^-)和过氧化氢的产生。该工作强调了将能级相配的半导体复合可为提升光催化剂产生活性氧物种性能提供一条简单、可行的路线。

【图文简介】

图1 BP/CN异质结制备示意图

超声辅助液相剥层法制备BP/CN异质结光催化剂示意图。

图2 10% BP/CN纳米片的形貌表征

a) 10% BP/CN纳米片的SEM图像；

b) 10% BP/CN纳米片的TEM图像；

c) 10% BP/CN纳米片的HRTEM图像；

d) 10% BP/CN纳米片的AFM图像以及相应的厚度曲线。

图3 BP/CN异质结的晶体结构和光吸收表征

a) BP/CN异质结的XRD谱图；

b) BP/CN异质结样品的紫外可见漫反射光谱和照片。

图4 BP/CN异质结的光催化分子氧活化性能(1)

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

b) 10% BP/CN光催化降解RhB过程中活性物种的影响；

c) 可见光下10% BP/CN的EPR光谱；

d) BP、CN和10% BP/CN光催化·O₂⁻产生曲线。

图5 BP/CN异质结的光催化分子氧活化性能(2)

a) BP/CN 系列样品光催化H₂O₂产生曲线；

b) 10% BP/CN 光催化H₂O₂产生的波长依赖性；

c) 10% BP/CN 光催化H₂O₂产生长效实验；

d) BP/CN能带结构示意图。

【小结】

研究人员通过简单的超声辅助液相剥离法制备了非金属的BP/CN异质结光催化剂。得益于BP/CN复合材料宽广的可见光吸收范围、丰富的活性位点以及有效的电荷分离，其表现出优异的光催化分子氧活化活性，加速了超氧自由基和过氧化氢的产生。BP比例10 wt%时最优，照射15 min可分解98%的RhB，10% BP/CN复合材料的速率常数是原始CN的几乎四倍。该研究揭示了构建异质结以提升光催化活性的前景广阔，在环境治理、超级电容器和锂离子电池等其他领域应用潜力巨大。

文献链接：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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