Ett betydande framsteg i den fotokatalytiska aktiviteten hos konventionella material demonstreras av en tvådimensionell heterostruktur som består av nanoskikt av två halvledare:svart fosfor och vismutvolframat. Som forskare har rapporterat i tidskriften Angewandte Chemie , denna katalysator utnyttjar energin från synligt ljus för att dela vatten och producera väte, och att bryta ner kvävemonoxid i avgaserna.

Precis som växter använder fotosyntes, vissa halvledare kan absorbera ljusets energi och använda denna för att driva kemiska reaktioner. Till exempel, vismut wolframat (Bi ₂ WO ₆ ) bör, i princip, vara lämplig för fotokatalytisk nedbrytning av kvävemonoxid (NO) och produktion av väte. Dock, resultaten hittills har inte varit särskilt tillfredsställande. Ett tillvägagångssätt för att förbättra prestandan hos detta material är att binda tvådimensionella nanoskikt av vismutvolframat till en skiktad heteroövergång med ett andra nanoskikt av en annan halvledare.

Ett team ledd av Dongyun Chen och Jianmei Lu vid Soochow University, Suzhou, och Jiangsu University, Zhenjiang (Kina) fann att svart fosfor kan vara en lämplig partner för denna typ av heterostruktur. Detta material visar fotokatalytiska egenskaper, även om det har haft begränsad tillämpning hittills.

Svart fosfor består av krusade lager av sexledade ringar som kan delas upp i individuella atomlager. Forskarna täckte dessa nanolager jämnt med 50 nm-chips av vismutvolframat. De två halvledarna är i mycket nära kontakt i denna enkelt och effektivt producerade heterostruktur, vilket resulterar i en synergieffekt. Den svarta fosforn ger ett brett absorptionsområde i solljusspektrat. Energinivåerna för elektronerna i de två materialen är fördelaktigt placerade. Detta gör att de ljusinducerade positiva och negativa laddningarna (elektron-hålspar) kan separeras effektivt, transporteras inom heterostrukturen, och överförs till molekyler. Forskarna föreslår att laddningsöverföringsmekanismen liknar det så kallade Z-schemat som finns i fotosyntesen.

Som förväntat, den fotokatalytiska nedbrytningen av NO av heterostrukturen var betydligt effektivare än med andra vismutbaserade material. För fotokatalytisk produktion av väte, en ytterligare platinabaserad samkatalysator tillsattes. Under bestrålning, elektroner kan flytta från heterostrukturen till platinaatomer, och därifrån kan de snabbt minska H ⁺ joner i vatten för att bilda vätgas. Med synligt ljus, effektiviteten av den katalytiska processen var nio gånger den för ren vismutvolframat.

Forskarna föreslår att svart fosfor kan ha bred tillämpbarhet som sträcker sig till förnybar energi och behandling av avgaser.