【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)在二維黑磷領(lǐng)域取得新進(jìn)展，開發(fā)出了具有多邊界特征的多晶黑磷納米片，展現(xiàn)出較好的光催化合成氨性能。相關(guān)工作"Edge-Rich Black Phosphorus for Photocatalytic Nitrogen Fixation"(《多邊界黑磷及其光催化固氮性能研究》)發(fā)表于期刊The Journal of Physical Chemistry Letters (J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 1052)上。論文共同第一作者為深圳先進(jìn)院博士邊式和溫敏，通訊作者為研究員喻學(xué)鋒。
 

 

　　氨(NH3)既是地球氮循環(huán)中重要的組成部分之一，也是現(xiàn)代社會(huì)的化學(xué)品。尋求高效、低耗、清潔的固氮合成氨方法來(lái)替代能耗巨大的哈柏法一直是近幾年的研究熱點(diǎn)。由于太陽(yáng)能成本低廉，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為產(chǎn)物化學(xué)能的光催化合成氨技術(shù)是一種比較理想的方式，而實(shí)現(xiàn)高效的光催化固氮的材料基礎(chǔ)是半導(dǎo)體光催化劑。黑磷是一種新型非金屬層狀直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有高載流子遷移率、覆蓋從可見到中紅外的可調(diào)帶隙等獨(dú)特性質(zhì)。喻學(xué)鋒課題組在之前的工作中，對(duì)黑磷催化與化學(xué)合成領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，如開發(fā)了黑磷鉑催化劑 (Adv. Mater. 2018, 1803641. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 19060.)、黑磷直接合成有機(jī)磷化物(CCS Chem. 2019, 1, 166)等。
 

　　本項(xiàng)研究中，課題組創(chuàng)新性地建立了球磨化學(xué)刻蝕技術(shù)，成功將粉末直接轉(zhuǎn)化為具有多晶邊界特征的新型黑磷納米片。傳統(tǒng)的黑磷納米片材料通常具有類似單晶的結(jié)構(gòu)，表面平滑且邊緣銳利；與之相比，這種新型的黑磷納米片則呈現(xiàn)多晶的結(jié)構(gòu)特征，納米片表面布滿了由互相獨(dú)立的晶疇邊界構(gòu)成的缺陷位點(diǎn)，故而表面崎嶇而邊緣平滑。表面的這種位點(diǎn)對(duì)氮?dú)夥肿泳哂忻黠@的吸附功能，因此其對(duì)催化固氮方面的性能有著積極的作用。課題組的后續(xù)試驗(yàn)將這種新型黑磷納米片作為催化劑應(yīng)用到了水相光催化固氮中，相關(guān)研究表明其在水溶液體系中具有出色光催化固氮活性。在適量的電子犧牲劑的幫助下，整個(gè)體系可以在可見光的照射下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光催化固氮反應(yīng)；并且能在8小時(shí)的連續(xù)光照下保持性能不衰減，其平均活性也超越了大多數(shù)已經(jīng)報(bào)道的催化體系。
 

　　課題組進(jìn)一步對(duì)多晶黑磷催化體系的機(jī)理進(jìn)行了研究，在PEC測(cè)試中，多晶黑磷納米片在氮?dú)夥諊械捻憫?yīng)要明顯強(qiáng)于在氬氣氛圍中；而在TA測(cè)試中，多晶黑磷納米片的信號(hào)在氮?dú)夥諊械乃p時(shí)間也明顯短于在氬氣氛圍中，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了氮?dú)鈴亩嗑Ш诹妆砻鎶Z取光生電子的過(guò)程。此外，與傳統(tǒng)的晶體生&液相剝離法相比，本項(xiàng)研究中開發(fā)的球磨&化學(xué)刻蝕法大幅降低了制備黑磷納米材料的成本和時(shí)間，這種價(jià)格低廉且高效的方法展現(xiàn)了黑磷納米材料未來(lái)在工業(yè)化生產(chǎn)上的巨大潛力。
 

　　該項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、廣東省人才計(jì)劃、深圳市基礎(chǔ)研究布局等資助。