《Adv. Funct. Mater.》发表周勇教授课题组关于黑磷在能源催化领域综述论文

Adv. Funct. Mater.》发表周勇教授课题组关于黑磷在能源催化领域综述论文

我院环境材料与可再生能源研究中心周勇教授课题组近期在Adv. Funct. Mater.发表题目为"State-of-the-Art Progress in Diverse Black Phosphorus-based Structures: Basic Properties, Synthesis, Stability, Photo- and Electrocatalysis-Driven Energy Conversion" Feature article (https://doi.org/10.1002/adfm.202005197),是课题组前期继石墨烯(Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 4996, ESI高被引论文),将二维材料用于催化领域又一总结性工作。高娃博士为论文第一作者。

黑磷作为单元素二维层状半导体材料,具有层数依赖的带隙结构(体材料: 0.3 eV;单层磷烯: 2.0 eV),超高的空穴迁移率(室温空穴迁移率:650 cm2 V−1 s−1),面内各向异性,低电阻和高比表面积等优秀的特性,揭示了其在催化领域独特的优势。文章重点介绍了黑磷的基本物理和化学特性、合成方法及其在光催化和电催化领域的应用和反应机制。

21世纪以来,随着以CO2为主的温室气体排放量不断增加, 寻求新型能源来构建低碳型社会的诉求愈加迫切。因此,以太阳能为驱动力,将CO2转化为有价值的碳氢燃料,实现全球碳平衡则更凸显其光明前景与巨大潜力。在光催化CO2还原这一策略中,产物选择性问题一直备受关注,产物种类难以控制。基于这一问题,周勇教授课题组长期致力于光催化转化CO2为可再生碳氢燃料,通过开发系列新型光催化材料,逐步实现了选择性获得还原产物,例如将CO2转化为一氧化碳(CO)(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4209,ESI高被引论文),甲烷(CH4)(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9547, ESI高被引论文; J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14385, ESI高被引论文;Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1215, ESI高被引论文), 乙烷(C2H6)(Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1743, ESI高被引论文),研究成果受到国内和国际同行的广泛关注。近期课题组将黑磷量子点应用于光催化CO2还原中,通过复合WO3纳米棒构筑Z-Scheme模型, 实现了在常温、常压下,将CO2部分转化为乙烯(C2H4) (Chem. Commun. 2020, 56, 7777, 主要产物为CO)。结合试验和理论计算,揭示了黑磷丰富的Armchair和Zigzag边缘能有效促进C-C耦合反应的发生,是影响C2H4形成的关键步骤。这项研究为黑磷在能源领域的应用提供了新的策略。虽然现阶段C2H4的产率相对较低,课题组将继续致力于开发新的光催化剂以提高光催化CO2还原中C2H4产物的产量。

该工作得到科技部重点研发计划重点专项、国家基金委和南京大学登峰人才计划(B)项目资助。