半导体光催化分解水制取氢气是将太阳能转化为清洁能源的重要途径之一。近年来已开发出包括聚合物氮化碳、共轭聚合物、黑磷和红磷等多种非金属光催化材料。其中，红磷具有较强的可见光吸收能力以及合适的能带结构，被认为是一种有应用前景的光催化材料。然而，红磷的光生电荷容易复合且电荷迁移缓慢，使其光催化效率仍然处于较低水平。提高结晶度、负载助催化剂和构建异质结都已被证明是提升红磷光催化性能的有效手段，但是非金属光催化剂的效率的进一步提升仍然是一个巨大的挑战。众所周知，光生电荷沿着材料的不同晶向具有不同的迁移率。因此，调控红磷的晶体结构使其沿着某一晶向择优生长，可以提高电荷的传输和分离效率，进而提高其光催化分解水性能。

近日，青岛大学杨东江教授（点击查看介绍）课题组和西安交通大学沈少华教授（点击查看介绍）课题组合作，通过化学气相沉积法在聚合物氮化碳（PCN）表面沉积了具有[001]晶向择优生长的Hittorf磷（HP）纳米棒，并将其应用于光催化分解水纯水产氢。

将聚合物氮化碳和无定形红磷前驱体密封在真空石英管中进行焙烧，可以实现HP纳米棒在PCN表面的垂直长（PCN@HP），并且可以确认具有六角形截面的HP纳米棒沿着[001]晶向择优生长。X射线光电子能谱和X射线近边吸收光谱表明，PCN和HP通过P-N键紧密结合，形成PCN@HP非金属异质结。此外，HP将材料的光学吸收拓宽到可见光区域，从而可以捕获更多的光子用于光催化反应。PCN@HP表现出卓越的光催化分解纯水产氢性能，在模拟太阳光和可见光的照射下，其产氢速率分别高达33.2 µmol h^-1和17.5 µmol h^-1。在420 nm处的表观量子效率达3.59%，在550 nm的长波长可见光下仍可达1.21%，远优于目前已报道的用于分解纯水制氢的聚合物氮化碳基以及磷基光催化材料体系。理论计算表明，HP在[001]方向的电子的有效质量最小，表明沿着[001]方向具有最高的电子迁移率。此外，沿[001]方向的电子和空穴有效质量的巨大差异可导致高效的电荷分离，从而提高光催化分解水性能。此项研究加深了晶体生长取向控制并以此构建异质结对提升光催化性能的理解，为设计新颖的非金属光催化剂提供了新思路。

相关工作发表Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是青岛大学的朱玉坤博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

[001]-Oriented Hittorf's Phosphorus Nanorods/Polymeric Carbon Nitride Heterostructure for Boosting Wide-Spectrum-Responsive Photocatalytic Hydrogen Evolution from Pure Water

Yukun Zhu, Chunxiao Lv, Zhuocheng Yin, Jun Ren, Xianfeng Yang, Chung-Li Dong, Hongwei Liu, Rongsheng Cai, Yu-Cheng Huang, Wolfgang Theis, Shaohua Shen, Dongjiang Yang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911503

导师介绍

杨东江

https://www.x-mol.com/university/faculty/35079

沈少华

https://www.x-mol.com/university/faculty/44757

（本稿件来自Wiley）