深圳先進院成功制備出黑磷／鉑異質結光催化劑

近日，中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員課題組成功制備出黑磷/鉑異質結光催化劑，在太陽光驅動的有機催化反應中展現出極好的光催化活性。相關成果“黑磷/鉑異質結：一種高效廣譜光催化劑”在線發表于材料領域頂級刊物《先進材料》。論文共同第一作者是白力誠博士和王欣博士，通訊作者是喻學鋒研究員。

催化反應是目前生產化合物最為有效的方法，然而其往往需要消耗大量不可再生能源以產生熱能驅動反應，是導致資源枯竭、環境污染等問題的重要原因之一。因此，發展光催化技術，直接利用太陽能生產化合物應用前景廣闊，其中關鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發。當前廣泛研究的二維半導體黑磷具有可調的直接帶隙、吸收范圍廣、光耦合效率高等眾多優勢，卻受限于穩定性不高、光生載流子復合過快等。半導體-金屬異質結構能加速捕獲光激發的電子和空穴對，延長電荷載流子的壽命，提高肖特基結光催化中的電荷分離和利用效率。

課題組設計了一種新型黑磷/鉑半導體/金屬異質結，實現太陽能高效光催化有機反應。所負載超小（約1.1 nm）鉑納米顆粒與黑磷納米片之間的強相互作用，使黑磷表面上產生PtPxOy氧化層，極大增強了黑磷納米片的穩定性。同時，該異質結構能夠有效吸收太陽能，吸收范圍覆蓋太陽光紫外至紅外區域。通過飛秒泵浦探針顯微光學系統測試發現，黑磷/鉑異質結構具有0.12 ps的超快光生電子遷移時間。通過原位X射線光電子能譜（XPS）和密度泛函理論（DFT）計算證明，光生電子在鉑納米顆粒表面能夠有效富集。在模擬太陽光驅動的有機加氫與有機氧化反應后，黑磷/鉑異質結展現出比其他鉑基催化劑高得多的催化效率，遠優于傳統的熱驅動催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽能驅動的有機催化反應中具有廣泛應用潛力，本研究也為金屬/半導體異質結催化劑的制備提供了參考。團隊已申請相關ZL，相關技術將依托團隊所孵化的企業中科墨磷進行產業化轉化。

黑磷/鉑異質結的結構設計