中科院金屬所新型單質(zhì)光催化材料研究取得進展

光催化可實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化(如光催化分解水制氫)，是獲得新能源的一個重要途徑，發(fā)展可有效吸收可見光的光催化材料是實現(xiàn)高效太陽能光催化轉(zhuǎn)化的前提。為獲得具有寬譜可見光吸收的光催化材料，改善已知光催化材料和探索未知光催化材料是該領(lǐng)域重要的兩個努力方向。

中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室先進炭材料研究部劉崗研究員自2004年以來，一直致力于發(fā)展具有寬譜可見光吸收的光催化材料，一方面通過能帶調(diào)控縮小半導(dǎo)體帶隙進而增加可見光吸收;另一方面積極探索未知的可見光光催化材料。近期，他們先后發(fā)現(xiàn)了硫、硼等單質(zhì)可以作為可見光光催化材料，在單質(zhì)元素光催化材料方面取得了重要進展。

硫單質(zhì)具有30余種同素異形體，多數(shù)由6～20個硫原子組成的環(huán)狀分子構(gòu)成，在標(biāo)準(zhǔn)溫度與壓力條件下，皇冠狀結(jié)構(gòu)S8分子最穩(wěn)定，它的正交結(jié)構(gòu)晶形α－S最穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，α－S晶體的帶隙為2.79 eV，可吸收至約475 nm的可見光，且具有適合光催化反應(yīng)(分解水、羥基自由基生成)的帶邊位置。進一步的光催化活性研究表明，α－S晶體在可見光條件下具有光電化學(xué)分解水制氫、產(chǎn)生羥基自由基、降解污染物羅丹明B的能力，減小晶體顆粒尺寸可顯著提高光催化活性，同時α－S晶體作為光催化材料展現(xiàn)出高的光化學(xué)穩(wěn)定性。

硼單質(zhì)由于具有輕質(zhì)、高強度、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性等諸多顯著特點，吸引了廣泛的研究興趣，特別是在硼基超硬、超導(dǎo)材料領(lǐng)域，然而硼單質(zhì)的半導(dǎo)體屬性的潛在應(yīng)用尚未被開發(fā)。硼單質(zhì)的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為β相的斜方六面體結(jié)構(gòu)(β－B)，其單胞由107個原子組成，具有p型半導(dǎo)體屬性。研究表明，亞微米的β－B晶體的光吸收邊可延伸至近800 nm，具有穩(wěn)定的可見光光催化生成羥基自由基的能力，去除厚約2 nm的無定型表層可提高光催化性能2.2倍，原因在于無定型層所產(chǎn)生的局域能級或帶尾降低了光生載流子的遷移率和氧化還原能力。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《J Am Chem Soc》(2012，134:9 070－9 073)和《Angew Chem Int Ed》(2013，52:6 242－6 245)，并受邀就單質(zhì)光催化材料撰寫了concept paper(《Chem Phys Chem》2013，14:885－892)。