磷烯基异质二维纳米材料的原位构筑及其可见-红外光催化产氢性能研究

Expanding the absorption spectrum of the photocatalyst and improving the separation of the photoexicted electron-hole are key to high efficiency of photocatalytic water splitting hydrogen production. Due to its extended photon absorption window across a wide range from visible up to near infrared (NIR), there is huge unexplored opportunity for black phosphorus as a “metal-free” water splitting photocatalyst for hydrogen production. In this project, we will prepare a series of phosphorene based hybrid two-dimensional materials by in-situ growth. In order to explore the reaction mechanism controlled the composition and the interface structure, we will systematically analysis the thermodynamic and kinetic factors during the procedure of in-situ growth. Spectroscopy analysis as well as first-principle calculation are carried out to reveal the interfacial electron transfer kinetics. Relationship between the interfacial structures and photocatalytic properties in phosphorene based hybrid materials will be established. This project is of great significance to further expand the absorption spectrum and improve solar energy conversion efficiency.

拓展光催化材料的光谱吸收范围和提高光生载流子分离与利用效率是进一步提高光催化裂解水产氢转化效率的关键。由于其涵盖了从可见光到中红外区的宽广的光子吸收窗口，磷烯有望被开发为具有巨大潜力的非金属光解水产氢催化剂。本项目拟以磷烯基异质二维纳米材料为研究对象，利用原位生长技术，原位构筑磷烯基异质二维纳米材料，通过系统地分析影响磷烯基异质二维纳米材料原位制备的热力学和动力学因素，探索控制磷烯基异质二维纳米材料组成与界面结构的反应机制，同时利用光谱学法，结合理论计算，研究不同的异质结界面组成和结构对其光催化性能的影响，阐明其界面微观组织结构与光催化性能的关系，揭示其光生电子-空穴的分离、转移与利用随界面电子结构变化的规律，力求构筑出具有可见-红外光响应特性的新型高效光催化产氢材料，实现高效的太阳能-化学能转换。

设计开发具有可见-红外光响应及高效电荷分离效率的异质结材料是光催化产氢领域的研究热点。本项目以磷烯基异质二维纳米材料为研究对象，利用溶剂热、光沉积法等方法，成功地原位构筑了具有致密界面的BP/RP 同素异质结等二维纳米材料，并对其光催化制氢性能与机理进行了系统研究，主要内容如下：.1）利用一步溶剂热法原位制备单元素的一维棒状黑磷和二维片状红磷的 Z 型异质结构，不仅扩展了光吸收范围，而且显著地提高了黑磷的稳定性，其光催化的性能随黑磷含量的增加而上升，其中，当黑磷含量为22%左右时，光催化产氢效果最优（0.78 μmol -1·g-1·h-1）， 产氢量几乎是纯 RP 的 3 倍。此磷同素异质结具有合适的带隙结构且界面间接触紧密，可以在不使用任何牺牲剂的情况下实现光催化全水解。.2）针对目前黑磷纳米片内部电子和空穴结合过快的问题， 通过溶剂热法原位构建了一种新型的BP/Ni2P异质结复合二维材料，相比于单纯的黑磷纳米片，复合材料在红外光区的响应更强，光催化产氢测试结果及光生电子转移机理研究证明，Ni2P的原位负载更有利于形成致密界面，所制备的复合物的光催化的能力远远优于BP NSs。.3）采用简单的一步光沉积法，将过渡金属（Ni、Co等）原位负载在黑磷纳米片上，制备了BP/M（M=Ni、Co）异质结。该方法具有实验周期短、简单、易操作、绿色无污染等优点。测试表征证明，过渡金属负载在黑磷纳米片上，不仅扩宽了其光吸收范围，提高了其对太阳光的转化效率，并且可以有效缓解BP NSs容易被氧化的特性，提高其稳定性。光催化产氢测试证明，所制备的复合物BP/M异质结均具有优异的光催化产氢性能。其中，复合物BP/Co异质结的光催化产氢活性约是BP NSs的160倍，而复合物BP/Ni异质结的光催化产氢活性更是BP NSs的200倍。.上述研究将为新型宽光响应的光催化产氢异质结材料的设计制备提供新的视野。