黑磷基异质结构光催化剂.docx

一、引言光催化是能源和环境领域中一种有重要应用价值的经济、可再生技术。1972年，在二氧化钛（TiO2）电极光电化学水分解方面的开创性工作促进了半导体光催化的研究。迄今为止，科学家已经设计和开发了大量光催化剂，其中大多数是含有过渡金属的半导体。根据化学成分可将它们分为氧化物（如TiO2）.硫化物（如SnS2）、磷化物（如CoP）氮化物（如Ta3N5）氧氮化物（如BaNbO2N）等。自从氮化碳（简称CN）聚合物被报道具有光催化分解水活性以来，非金属光催化剂在光催化领域得到越来越多的关注。这些非金属光催化剂包括硒、硫、硼、掺杂石墨烯和红磷（RP）等。为了提高太阳能利用效率，开发一种能有效利用可见光和近红外（NIR）光并且光生载流子分离/迁移效率高的光催化剂是非常重要的。近年来，黑磷（BP）也被称为磷烯，作为一种新兴的单元素二维（2D）材料在光催化领域备受关注。BP具有许多特性，包括与厚度相关的直接带隙（0.32.1eV）、强可见光和近红外光吸收能力、高载流子迁移率（约100Ocm-V-s-O平面内结构的各向异性、低毒性和良好的生物兼容性。这些特性使BP可以作为分解水和其他光氧化还原反应的催化剂。然而，BP光催化剂也存在光生电子-空穴复合严重的缺点，因而在许多光氧化还原反应中表现出较弱的催化活性。通过构建BP基异质结构能够抑制光生载流子的复合，从而显著提高本文总结了BP基异质结构光催化剂的设计、合成、性能和光催化应用。根据化学成分，BP基异质结构光催化剂可分为半导体/BP异质结构、碳材料/BP异质结构、金属/BP异质结构和BP基三元异质结构（图1）。本文介绍了BP基光催化剂在分解水、污染物降解、杀菌、二氧化碳（CO2）还原、固氮和选择性有机合成方面的应用，并指出该领域的挑战和未来发展方向。这将激发化学、材料科学、物理和工程学领域科学家的研究兴趣。OrganicsynthesisWatersplittingSembMetalconductorgBacterial!BPdisinfectionIreduction"TernaryCarbonPollutantN2fixationdegradation图1黑磷基异质结构的种类及其光催化应用示意图二、黑磷基光催化剂用于分解水（一）黑磷纳米片分解水机理采用密度泛函理论（DFT）计算方法推测了2DBP半导体的能带结构。在PH=8.0的条件下，BP在沿轴7%拉伸应变下的带隙为1.79eV,而在沿b轴5%拉伸应变下的带隙为1.82eV（图2）。应变调控的BP导带底（CBM）位置比氏/比电势更负，而价带顶（VBM）位置比O2/H2O电势更正。BP具有合适的带隙宽度和导带价带位置，因此可以作为可见光驱动分解水的光催化剂。>)山工N>c90d>)山工N>一.5cod图2（八）采用Heyd-SCUSeria-ErnZerhOf（HSE06,杂化泛函计算）方法得出的引入单轴应变的BP导带底（CBM）和价带顶（VBM）位置；（b）通常条件或单轴应变调控卜的BP能带位置。NHE：一般氢电极。转载自参考文献，经AmeriCanChemiCaISoCiety许可，©2014（二）黑磷纳米片的设计合成与分解水应用在过去的几十年中，人们对单层BP或少层BP纳米片（FP）的制备方法进行了大量的研究。2DBP的合成方法可分为自上而下法（如液相剥离法、微波剥离法、球磨法）和自下而上法（如水热法、溶剂热法）。ZhU等采用球磨法制备了BP纳米片（BPBM）,发现其在没有添加助催化剂的情况下表现出比块状BP更高的光催化产氢活性（图3）。BP纳米片的形成导致带隙变宽，电子还原能力增强，光生电子空穴分离速率加快，比表面积增加，从而提高了光催化产氢活性。此外，采用溶剂热法制备BP纳米片并在其表面负载锌I（Pt）,能够实现从纯水中制取氢气，其析氢速率比CN纳米片高24倍。BP表面的部分氧化使BP纳米片的光催化活性和稳定性均有所提高。采用自上而下或自下而上的方法合成FP纳米片，推动了BP基光催化剂在太阳能转化中的实际应用。BPOXgMxExfofeatedBPnanosheetsSy(ustablejBulkBPVExfohatedBPnanosbeets(unstable)30252015105(lo3XPeAlOAe»WnOUfV一OUJrI)«通CO-O>XBP-BM.0UIK-BP8M0246810Time（三）(b)图3（八）BP-BM的合成工艺；（b）BP-BM光催化剂在可见光（波长入42Onm）照射卜的光催化分解水活性。转载自参考文献，经WiIey-VeHVerlagGmbH&Co.KGaA许可，©2017此外，通过表面改性和染料敏化能够提高BP纳米片光催化分解水的析氢速率（HER）。三氯化锢、三（五氟苯基）硼烷和苇基功能化BP在通常条件下表现出较高的稳定性，其HER值高于未经过功能化的BP。当以曙红Y作为光敏剂时，BP的HER活性显著提高。（三）黑磷基异质结构光催化剂在分解水中的研究进展尽管2DBP作为一种有前景的分解水光催化剂受到了极大关注，但较高的光生载流子复合率和较弱的稳定性限制了其实际应用。通过构建异质结构可以促进光生电子和空穴的空间分离，使光催化剂获得更高的光催化性能。本节讨论金属/BP、半导体/BP、碳材料/BP和BP基三元异质结构在光催化分解水中的应用。表1总结了BP基光催化剂的光催化制氢活性。表1BP基光催化剂的光催化产氢活性AQE:apparentquantumefficiency;TEOA:triethanolamine;EDTA:ethylenediaminetetraaceticacid;MBWO:monolayeredBiWO26;QD:quantumdot;1.ED:light-emittingdiode;RGO:reducedgrapheneoxide;UV:ultraviolet;Vis:visible.构建金属/BP异质结构是提高光催化析氢活性的重要方法之一。水热法制备的BP纳米片具有层状多晶结构和更强的光吸收能力。当以Pt为助催化剂时，其表现出优异的光催化析氢活性。此外，将BP与半导体（如金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物、金属钮酸盐和CN）相结合可构成高效的光催化分解水体系。在这些复合材料中，BP作为非金属助催化剂能够提高半导体在光催化分解水中的活性。BP具有以下优点：比表面积大，活性位点多；带隙可调，与其他半导体的能带结构相匹配；高的光生电荷迁移率。例如，BP纳米片/TiCh介晶复合材料能够吸收紫外线（UV）到近红外光，并表现出高的电荷分离效率。将BP纳米片/TiOz介晶复合材料作为光催化剂，以Pt作为助催化剂时，在可见光和近红外光下能够析出氢气。止匕外，FP与硫化镉（CdS）的复合有助于提高光催化析氢速率。合适的能带结构、高电荷迁移率和丰富的活性位点，以及BP和CdS之间亲密的电子相互作用，是提高BP/CdS光催化析氢活性的主要原因（图4）。此外，WS2/BP和MoS2BP的2D/2D异质结构光催化剂可以有效加速光生载流子的分离，并在可见光和近红外光照射下提高析氢速率。此外，在不加牺牲剂或偏压的条件下在纯水中进行反应，使用CoP/BP纳米片作为光催化剂时，在波长为43Onm的光照射下的析氢表观量子效率（AQE）为42.55%,太阳能到氢气的转换效率为5.4%oBP纳米片对太阳光的有效利用和无定形CoP对光生载流子分离的促进作用有助于提高CoP/BP的光催化分解水活性。(>)山HSs>而一c90d图4CdS/BP复合物光催化分解水的机理示意图。SHE：标准氢电极；CB：导带；VB：价带；fg:带隙能量。转载自参考文献,经WiIeyVCHVerIagGmbH&Co.KGaA许可，©2017由BP和CN组成的无金属异质结构光催化剂被设计制备出来并应用于可见光和近红外光下的分解水反应。N-P键的形成增强了BP和CN之间的界面接触并促进了电荷的转移，有助于提高BP/CN复合材料的光催化析氢活性（图5）。此外，2D/2D范德华异质结构中加强的电子耦合作用与加速的电荷分离和迁移使得BP/CN异质结构在产氢中具有更好的光催化活性和稳定性。此外，黑磷量子点（BPQD）与层状CN耦合形成零维（OD）/2D异质结构，能够促进光生载流子的分离并提高光催化分解水活性。BPQD/CN更高的光催化活性归因于Il型能带排列、P-C键的形成以及BPQD和CN之间的高效界面电荷分离。图5BP/CN光催化分解水机理示意图。Ox：氧化。转载自参考文献，经AmericanChemicalSociety许可,©2017为了提高BP的光催化活性，BP与碳材料结合形成的复合纳米结构引起了广泛关注。由于Pt/还原氧化石墨烯(RGo)和激发态BP纳米薄片之间存在高效电荷转移，BP/Pt/RGO复合材料可作为光催化剂在可见光和近红外光照射下分解水。当Pt纳米粒子、BP和RGO共存时，在可见-近红外(>420nm)和近红外(A>780nm)光照射4h后的氢气生成量分别达到约5.13mol和1.26mol0除了产氢半反应外，BP材料也被应用于水氧化半反应。在模拟太阳光照条件下，BP-氢氧化银Ni(OHN杂化产物的氧气产率为每克催化剂每小时15.7HmOl或每克BP每小时224.3HmOI。此外，通过构建2DBP/锐酸钿(BiVO4)组成的Z-型异质结构人工光合成体系能够实现全水分解反应。在这个光系统中，氧气生成反应是由BiVo4价带(VB)中的光生空穴驱动的，产氢反应是由BP导带(CB)中的光生电子引发的。这些发现证明了半导体/BP异质结构光催化剂在分解水领BP基二元纳米复合材料的设计是光催化分解水领域关注的焦点。为了进一步提高BP的物化性能和光催化活性，人们开发了BP基三元复合材料。将宽禁带半导体、窄禁带半导体和金属结合起来构建三元异质结并充分利用各组分的优势，为提高光催化性能提供了一条有效途径。BP-AU/1.a2Ti2O7可以作为宽光谱响应光催化剂用于制氢，这是由于金（Au）的等离子体共振效应和BP对宽光谱范围的光响应，电子可以高效地从BP和AU迁移到1.a2Ti2O7（图6）。此外，BPQD-Au-CdS>BPQD-CdS-1.azTizCh'CdS/BP-MoSz异质结构可以在较宽的光谱范围内进行高效的光催化产氢，并且表现出比二元复合材料更高的产氢速率。此外，将2DBP负载的Ni2P作为由地球丰富元素构成的助催化剂，与2D多孔CN纳米片复合，能够进一步提高可见光催化制氢活性。这些研究工作证明了BP基异质结构光催化剂在分解水方面的优越性。08:0E04g0208060402图6（八）在可见近红外>420nm）和近红外（>780nm）光照射F>BP-Au1.a2Ti2O7（1.TO）上的光催化产氢速率；（b）AU比例对BP-AU八a2Ti27光催化析氢速率的影响。转载自参考文献，经WiIey-VCHVerlagGmbH&Co.KGaAi11,©2017三、黑磷基光催化剂用于污染物处理和杀菌BP基光催化剂在污染物处理方面具有重要的应用，得到了科学家的广泛关注。凭借其独特的电子结构和理化性质，BP及其复合材料己被用于光催化降解多种污染物，如罗丹明B(RhB),活性黑5(RB5)、甲基橙(Mc)、亚甲基蓝(MB)、2-氯苯酚(2-CP)、双酚A(BPA)、1,3-二苯基异苯并映喃(DPBF)>邻苯二甲酸二丁酯(DBP)>Cr(Vl)和NoC本节讨论BP纳米片、BPQD和B