刘鸣华: 黑磷量子点-石墨相氮化碳纳米0D−2D复合材料及其高效制氢

renzoula

石墨烯的突破性发现和成功应用引起了研究人员对各种原子级薄二维(2D)材料的极大兴趣。自2014年以来，黑磷(BP)，一种单元素2D层状材料，后石墨烯时代的后起之秀，在光/电、生物医学、催化、储能等方面均具有重要应用前景。除黑磷以外，石墨相氮化碳(g-C3N4)是另一类主要的二维纳米材料，是由通过碳和氮原子的sp2杂化连结的N-取代石墨骨架组成的共轭有机聚合物。块状g-C3N4具有适当的带隙(〜2.7 eV)、较高的物理化学稳定性以及地球丰度。
将0D和2D半导体材料合理组合可以构建组分间属性和功能互补的复合维度复合材料。量子点与纳米片之间的耦合可能会引发协同效应，如更宽的光吸收、光生载流子的空间分离等。特别的，0D-2D复合材料所具有的上述特点更有利于太阳能燃料的产生，例如太阳能分解水产氢等。

近日，国家纳米科学中心刘鸣华研究员、刘刚副研究员等通过常规且廉价的超声处理方法首次将BP量子点(BPQDs)负载于石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米片上以构筑0D-2D无机-有机复合材料，并在Nano Energy上发表了题为“Hybrid 0D-2D black phosphorus quantum dots−graphitic carbon nitride nanosheets for efficient hydrogen evolution”的研究论文。所合成的BPQDs/g-C3N4复合材料的可见光驱动制氢性能随BPQD含量变化而变化。 循环性能良好的5wt% BPQDs/g-C3N4具有最优的析氢速率，为271 μmol·h-1·g-1，分别比原始g-C3N4和BPQD高5.6和4.2倍。作者证实了II型能带结构、磷-碳键的形成以及BPQD和g-C3N4之间有效的界面电荷分离协同增强了光活性和光稳定性。这项研究为开创用于能量转换和储存的黑磷基异质结构提供了可能性。