環(huán)境穩(wěn)定型黑磷異質結光催化二氧化碳還原制備合成氣

2022-09-06 14:13:29 0 雙良環(huán)境

　　光催化二氧化碳(CO2)還原制備清潔能源或高附加值化學品，是同時解決“能源”和“環(huán)境”問題的有效策略，也是實現“碳達峰”和“碳中和”目標的有效潛在路徑。二維黑磷(BP)材料作為光催化領域的“新秀”而備受關注，其具有較大比表面積、較寬的太陽光響應范圍(紫外到近紅外光)、可調節(jié)帶隙(0.3~2.0 eV)和較高的載流子遷移率(∼1000 cm2 V−1 s−1)等優(yōu)異特性，研究者正嘗試將其應用于光催化CO2還原領域。然而，二維BP材料在環(huán)境條件下不穩(wěn)定，易發(fā)生自分解而減弱其催化活性。因此，如何制備環(huán)境穩(wěn)定型的BP復合材料是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　最近，蘇州科技大學胡俊蝶副教授和李長明教授課題組報道了一種環(huán)境穩(wěn)定型黑磷異質結用于光催化CO2還原制備合成氣(一氧化碳CO+氫氣H2)，如圖1所示。首先，將超小鉑(Pt)納米粒子(~2 nm)均勻修飾到BP納米片上，形成P-Pt鍵來增強BP的穩(wěn)定性;然后，將其與富含氧缺陷的四方形單層鎢酸鉍納米片(OvMBWO)進行復合，構筑2D/2D Pt/BP-OvMBWO異質結。

　　構筑Pt/BP-OvMBWO異質結用于光催化制備合成氣。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

　　實驗結果表明，Pt納米粒子能有效增強二維BP的穩(wěn)定性，如圖2所示，普通BP納米片暴露在環(huán)境條件下兩周后，其表面嚴重被氧化且產生大量氣泡，導致BP納米片失效。而Pt/BP納米片則展現出優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，即使在空氣中暴露兩周，也幾乎觀察不到被氧化現象。Pt/BP-OvMBWO復合材料(圖3)表現出令人滿意的光催化CO2還原效果(圖4)，CO和H2的最大生成速率分別高達20.5和16.8 μmol•g-1 h-1，遠高于其他BP基材料，且該復合材料表現出優(yōu)異的循環(huán)使用穩(wěn)定性。此外，產生CO/H2的氣體比例在1:1~2:1的范圍內，這恰好是工業(yè)合成氣最理想的比例。

　　(a)Zeta電勢圖,(b)ESR光譜，(c)AFM圖。TEM圖：(d)OvMBWO，(e)剛剝離BP納米片，(f)BP納米片暴露于空氣兩周后，(g-h)Pt/BP納米片(插圖為Pt納米粒子的粒徑)。Pt/BP納米片的(h)STEM和(i)HRTEM圖(插圖為SAED圖)。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

　　(a-b)2D/2D Pt/BP-OvMBWO復合材料的TEM圖,(c)OvMBWO納米片的HRTEM圖，(d-j)Pt/BP-OvMBWO復合材料的mapping圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

　　光催化CO2還原性能圖：(a)H2和(b)CO的產率，(c)氣體產物的生成速率，(d)光催化CO2還原循環(huán)穩(wěn)定性試驗。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces