制备黑磷纳米材料有了高效新方法

氨(NH3)不仅是地球氮循环中最重要的成分之一，也是现代社会的一种基本化学物质。寻找一种高效、低耗、清洁的固氮和氨合成方法来替代能耗巨大的哈珀法，是近年来的研究热点。

由于太阳能成本低，将太阳能转化为产品化学能的光催化氨合成技术是一种理想的方法，而实现高效光催化固氮的物质基础是半导体光催化剂。黑磷是一种新型非金属层状直接带隙半导体材料，具有高载流子迁移率和从可见光到中红外可调带隙覆盖等独特性能。

最近，中国科学院深圳先进技术研究所研究员俞雪峰在二维黑磷领域取得了新的进展，开发出具有多边界特性的多晶黑磷纳米片，显示出更好的光催化氨合成性能。相关结果发表在国际权威期刊《物理化学快报》上。

在前期工作中，课题组对黑磷催化和化学合成的应用进行了深入研究，如黑磷铂催化剂的开发和由黑磷直接合成有机磷化合物。

在本研究中，课题组创新性地建立了球磨化学刻蚀技术，成功地将红磷粉末直接转化为具有多晶边界特征的新型黑磷纳米片。

图片来源:中国科学院深圳先进技术研究所

传统的黑磷纳米片材料通常具有单晶结构，表面光滑，边缘锋利。相比之下，这种新型的黑磷纳米片呈现多晶结构特征。纳米片的表面充满了由相互独立的晶畴边界形成的缺陷位点，因此表面粗糙且边缘光滑。表面的这个位点对氮分子有明显的吸附作用，因此它在催化固氮方面起着积极的作用。

图片来源:中国科学院深圳先进技术研究所

课题组后续实验将这种新型的黑磷纳米片作为催化剂应用于水相光催化固氮，相关研究表明其在水溶液体系中具有优异的光催化固氮活性。借助适量的电子牺牲剂，整个体系在可见光照射下可以实现稳定的光催化固氮反应；该催化剂体系的平均活性高于大多数报道的催化体系。

然后，他们进一步研究了多晶黑磷催化体系的机理。在PEC测试中，多晶黑磷纳米片在氮气气氛中的响应明显强于氩气气氛。在TA测试中，多晶黑磷纳米片在氮气气氛中的信号衰减时间明显短于氩气气氛。两个实验结果都证实了氮从多晶黑磷表面捕获光电子的过程。

图片来源:中国科学院深圳先进技术研究所

此外，与传统的晶体生长-液相剥离法相比，本研究开发的球磨-化学刻蚀法大大降低了制备黑磷纳米材料的成本和时间。这种廉价而有效的方法显示了黑磷纳米材料在未来工业生产中的巨大潜力。

本项目得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、广东省领军人才项目和深圳市基础研究布局的支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b03507