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环境稳定型黑磷异质结光催化二氧化碳还原制备合成气

光催化二氧化碳(CO2)还原制备清洁能源或高附加值化学品,是同时解决“能源”和“环境”问题的有效策略,也是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的有效潜在路径。二维黑磷(BP)材料作为光催化领域的“新秀”而备受关注,其具有较大比表面积、较宽的太阳光响应范围(紫外到近红外光)、可调节带隙(0.3~2.0 eV)和较高的载流子迁移率(∼1000 cmV−1 s−1)等优异特性,研究者正尝试将其应用于光催化CO2还原领域。然而,二维BP材料在环境条件下不稳定,易发生自分解而减弱其催化活性。因此,如何制备环境稳定型的BP复合材料是目前面临的巨大挑战。


最近,苏州科技大学胡俊蝶副教授和李长明教授课题组报道了一种环境稳定型黑磷异质结用于光催化CO2还原制备合成气(一氧化碳CO+氢气H2),如图1所示。首先,将超小铂(Pt)纳米粒子(~2 nm)均匀修饰到BP纳米片上,形成P-Pt键来增强BP的稳定性;然后,将其与富含氧缺陷的四方形单层钨酸铋纳米片(OvMBWO)进行复合,构筑2D/2D Pt/BP-OvMBWO异质结。

图1. 构筑Pt/BP-OvMBWO异质结用于光催化制备合成气。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


实验结果表明,Pt纳米粒子能有效增强二维BP的稳定性,如图2所示,普通BP纳米片暴露在环境条件下两周后,其表面严重被氧化且产生大量气泡,导致BP纳米片失效。而Pt/BP纳米片则展现出优良的环境稳定性,即使在空气中暴露两周,也几乎观察不到被氧化现象。Pt/BP-OvMBWO复合材料(图3)表现出令人满意的光催化CO2还原效果(图4),CO和H2的最大生成速率分别高达20.5和16.8 μmol•g-1 h-1,远高于其他BP基材料,且该复合材料表现出优异的循环使用稳定性。此外,产生CO/H2的气体比例在1:1~2:1的范围内,这恰好是工业合成气最理想的比例。

图2. (a)Zeta电势图,(b)ESR光谱,(c)AFM图。TEM图:(d)OvMBWO,(e)刚剥离BP纳米片,(f)BP纳米片暴露于空气两周后,(g-h)Pt/BP纳米片(插图为Pt纳米粒子的粒径)。Pt/BP纳米片的(h)STEM和(i)HRTEM图(插图为SAED图)。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


图3. (a-b)2D/2D Pt/BP-OvMBWO复合材料的TEM图,(c)OvMBWO纳米片的HRTEM图,(d-j)Pt/BP-OvMBWO复合材料的mapping图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


图4. 光催化CO2还原性能图:(a)H2和(b)CO的产率,(c)气体产物的生成速率,(d)光催化CO2还原循环稳定性试验。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


这一成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上,文章的第一作者是苏州科技大学硕士研究生陈操,通讯作者为胡俊蝶副教授和李长明教授。


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Ambient-Stable Black Phosphorus-Based 2D/2D S-Scheme Heterojunction for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction to Syngas

Cao Chen, Jundie Hu*, Xiaogang Yang, Tingyu Yang, Jiafu Qu, Chunxian Guo, and Chang Ming Li*

ACS Appl. Mater. Interfaces202113, 20162−20173, DOI: 10.1021/acsami.1c03482


作者介绍

胡俊蝶,江苏省“双创博士”,苏州科技大学材料科学与工程学院副教授,2019年博士毕业于苏州大学材料与化学化工学部。研究兴趣为新型纳米复合材料在新能源及环境修复领域的应用,包括光催化技术在分解水制H2/O2、CO2还原、H2O2原位制备、废气/废水治理等方向的研究。迄今以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Small, J. Mater. Chem. A, ACS Sustainable Chem. Eng.等期刊上发表高质量SCI论文近20篇,总被引400余次,目前担任Nanoscale Horizons期刊的Community board。


李长明,欧洲科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士、美国医学与生物工程院院士,现苏州科技大学材料科学与工程学院院长。主要研究兴趣包括功能材料(能源、生物)、清洁能源(锂电池,燃料电池,氢能源,超级电容器,太阳能电池等)、生物传感与芯片。已发表700多篇 SCI 顶尖论文,美国和中国等专利280多项,国际/国内学术大会主题或邀请报告200多次,SCI总引用37,000多次,H因子92。2014年来连续荣获汤森路透全球材料科学精英,科睿唯安全球交叉学科和爱思唯尔全球材料高被引科学家。


课题组主页:

http://clxy.usts.edu.cn/info/1113/1219.htm 

http://clxy.usts.edu.cn/info/1112/1042.htm 


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