Halvledere kombinerer kræfter i fotokatalyse

Et betydeligt fremskridt i den fotokatalytiske aktivitet af konventionelle materialer demonstreres af en todimensionel heterostruktur, der omfatter nanolag af to halvledere:sort fosfor og vismut-wolfram. Som forskere har rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie , denne katalysator udnytter energien fra synligt lys til at splitte vand og producere brint, og for at nedbryde nitrogenmonoxid i udstødningsgas.

Ligesom planter bruger fotosyntese, visse halvledere er i stand til at absorbere lysets energi og bruge dette til at drive kemiske reaktioner. For eksempel, vismutstatstat (Bi ₂ WO ₆ ) bør, i princippet, være egnet til den fotokatalytiske nedbrydning af nitrogenmonoxid (NO) og produktion af hydrogen. Imidlertid, resultaterne har hidtil ikke været særlig tilfredsstillende. En tilgang til forbedring af dette materiales ydeevne er at binde todimensionale nanolag af bismuth-wolframat til en lagdelt heterojunction med et andet nanolag af en anden halvleder.

Et team ledet af Dongyun Chen og Jianmei Lu ved Soochow University, Suzhou, og Jiangsu University, Zhenjiang (Kina) fandt ud af, at sort fosfor kan være en passende partner til denne type heterostruktur. Dette materiale viser fotokatalytiske egenskaber, selvom den hidtil har haft begrænset anvendelse.

Sort fosfor består af krusede lag af seksledede ringe, der kan opdeles i individuelle atomlag. Forskerne dækkede disse nanolag jævnt med 50 nm chips af vismut -wolfram. De to halvledere er i meget tæt kontakt i denne enkelt og effektivt producerbare heterostruktur, hvilket resulterer i en synergetisk effekt. Det sorte fosfor giver et bredt absorptionsinterval i solens spektrum. Energiniveauet for elektronerne i de to materialer er gunstigt placeret. Dette gør det muligt effektivt at adskille de lysinducerede positive og negative ladninger (elektronhulspar), transporteres inden for heterostrukturen, og overført til molekyler. Forskerne foreslår, at ladningsoverførselsmekanismen ligner det såkaldte Z-skema, der findes i fotosyntesen.

Som forventet, den fotokatalytiske nedbrydning af NO ved heterostrukturen var betydeligt mere effektiv end med andre vismutbaserede materialer. Til fotokatalytisk produktion af brint, en yderligere platinbaseret co-katalysator blev tilsat. Under bestråling, elektroner kan bevæge sig fra heterostrukturen til platinatomer, og derfra er de i stand til hurtigt at reducere H ⁺ ioner i vand til dannelse af hydrogengas. Med synligt lys, effektiviteten af ​​den katalytiske proces var ni gange effektiviteten af ​​ren bismuth -wolfram.

Forskerne antyder, at sort fosfor kan have en bred anvendelighed, der strækker sig til vedvarende energi og behandling af udstødningsgasser.