由于对称性破缺,许多二维层状材料能表现出块体材料所不具备的压电或热释电效应,因此,二维材料已经成为当前最有价值的研究领域之一。二维层状材料如黑磷、金属硫化物是继石墨烯之后的热门的二维半导体材料,它们具备独特的各向异性光电特性和电学特性,被应用在场效应晶体管、光电元件、气体传感器以及太阳能电池等多个方面。氢能被视为未来的理想清洁能源。目前国际上对于光催化制氢研究较多。除了清洁的太阳光能,冷热变换热能也是自然界很丰富的能源之一。目前有关于利用冷热变换能来分解水制氢的研究报道较少。

近日,浙江师范大学的贾艳敏教授、武峥教授和香港理工大学的黄海涛教授(共同通讯作者)等人通过液相剥离法制备二维层状材料,并创新性地利用二维少层晶体材料的对称性破缺,实现了利用室温冷热变换驱动水分解制备清洁可再生氢能。在室温条件下,通过在冷热循环交替的环境中对其产氢性能及其对染料分子的降解性能进行研究。在冷热循环下,在经过24次热循环后,产氢量达到540 μmol g-1。并且在5次热循环后,对5 mg L−1的罗丹明B(RhB)染料溶液降解率可达到99 %。

此研究成果以“Room-temperature pyro-catalytic hydrogen generation of 2D few-layer black phosphorene under cold-hot alternation”为题发表在Nat. Commun.上。

图二 微观结构及X射线荧光光谱(XPS)结果

a. X射线衍射图谱(插图为SEM图谱)

b. EDS光谱

c. 宽能量范围内XPS图谱

d. P元素2p轨道的XPS图谱

图三 压电力显微镜(PFM)结果

a. AFM图(比例尺为2 μm)

b. PFM振幅图像

c. PFM相位图像

d. 场致曲线

图四 热释催化分解水产氢的示意图及性能

a. 热释电势分布的COMSOL模拟

b. 热释催化制氢原理图

c. 从室温15 oC到65 oC的冷热循环温度曲线

d. 热释催化产氢量

图五 热释催化降解有机染料结果

a. 15 oC到65oC 的冷热循环下,RhB(5 mg L−1)染料溶液吸收谱的变化

b. RhB降解率随热循环次数的变化。插图是热释催化降解RhB染料的实验照片

【小结】     

本文报道了对称性破缺的二维层状材料的热释催化产氢和降解有机染料现象。在热循环条件下,经在24个冷热循环激励下,每克催化剂分解水的产氢量高达540微摩尔。在热循环5次后,热释催化降解RhB溶液降解率可达到99%。该研究工作对于推动利用环境冷热变换能来分解水制备清洁氢能及降解染料废水方面具有很好的应用前景。

文献连接:Room-temperature pyro-catalytic hydrogen generation of 2D few-layer black phosphorene under cold-hot alternation (Nat. Commun., 2018, DOI:10.1038/s41467-018-05343-w)