第一作者：吴春晓
通讯作者：敬林，Yun Hau Ng，Jimmy C. Yu
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2022.121428
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该工作基于过渡金属铋辅助的化学气相沉积策略对红磷进行了结构和晶面工程的改性研究，开发了具有“Hittorf-fibrous”复合晶型异质结结构的三维枝状红磷单质光催化剂，并用于高效的可见光光解水制氢反应。相关工作近日发表于Applied Catalysis B: Environmental。
背景介绍
红磷单质半导体材料具有带隙窄、能级可调、导带能级电势高、可见光（~750 nm）响应能力强等优点，是“简单、高效、可见光”析氢催化系统的理想载体。基于结构和晶面工程的改性研究是提升体相红磷光催化活性的重要途径。受到过渡金属诱导碳纳米管生长机理的启发，该课题采用了过渡金属铋（Bi）辅助的化学气相沉积法（CVD法），实现了对红磷形貌结构与晶型结构的有效调控，研发了具有“Hittorf-fibrous”复合晶型异质结结构的三维枝状红磷（DRP）单质光催化剂，可见光产氢活性可达1280 μmol h-1 g-1，相较于以往报道的单质光催化剂的产氢活性有了显著提升。采用一系列物化性质表征手段并结合瞬态吸收光谱技术进一步揭示了Bi诱导DRP生长和结晶的自然规律以及相关光催化动力学作用机理。
图文解析
图1.（a）过渡金属Bi辅助的CVD法制备红磷光催化剂的流程图。（b-f）所制备红磷光催化剂的形貌结构随Bi含量演变的SEM图。
图2. 红磷的形貌结构和晶相结构随Bi含量演变的机理图。
图3.（a-d）DRP，（e）Hittorf晶型红磷纳米线，（f）fibrous晶型红磷纳米棒的TEM、HRTEM图。（g-j）Hittorf晶型红磷纳米线的TEM和EDX图。（k）样品的XRD图。
图4. 所制备样品的（a）UV-vis，（b）Kubelka-Munk，（c, d）valance XPS，（e, f）LSV和（g）能带结构图。
图5.（a）所制备样品的可见光光解水制氢活性图。（b）DRP与其他单质、化合物光催化剂的可见光光解水制氢性能对比图。（c）DRP的可见光光解水制氢稳定性测试图。
图6.（a）Hittorf晶型红磷纳米线，（b）fibrous晶型红磷纳米棒，以及（c）DRP的瞬态吸收光谱。（d）550 nm探测光下样品的光生电荷动力学衰减曲线。（e，f）样品的电荷动力学机理图。
总结与展望
本研究以过渡金属Bi为助催化剂，采用CVD法首次制备了具有复合晶型异质结结构的枝状红磷（DRP）单质光催化剂。该材料的枝状结构由Hittorf晶型红磷纳米线“主干”和fibrous晶型红磷纳米棒“分枝”组成，所形成的紧密复合晶型异质结有效促进了DRP中光生电荷的分离与迁移，抑制了电荷的复合与自捕获过程，从而显著延长了活性电荷寿命，使得DRP样品光解水制氢活性高达1280 μmol h-1 g-1，是目前单质光催化剂可见光水分解产氢活性的最高记录。该工作为红磷以及其他新型单质光催化剂的设计和构建提供了重要思路。
作者介绍
吴春晓，北京工业大学硕士研究生，研究方向为光催化产氢。硕士期间发表学术论文6篇，获得硕士研究生国家奖学金、北京工业大学科技创新奖等多项荣誉与奖励。
敬林，北京工业大学，特聘教授，博士生导师，北京工业大学高层次优秀人才、北京市“海聚工程”特聘专家。本硕博毕业于北京理工大学、新南威尔士大学博士后、香港中文大学博士后。研究方向为纳米复合材料在新能源转化和环境净化领域的应用及机理研究。已在国内外学术期刊上发表论文>60篇。
Yun Hau Ng（吴永豪），香港城市大学，教授，博士生导师，可再生能源催化实验室主任。已在主流学术期刊发表论文>150篇，被引用>12000次，H-index为46。担任Journal of Materials Science: Materials in Electronics 主编。2019年荣获亚太经合组织（APEC）科学创新、研究及教育奖 （ASPIRE）。
Jimmy C. Yu（余济美），香港中文大学，教授，博士生导师，教育部“长江”特聘讲座教授，光催化领域著名专家，长期从事新型纳米材料的制备与表征，光催化技术在能源与环境领域的应用。近几年在有毒难降解有机污染物光催化降解机理的研究、光催化空气和海水消毒系统、新型光催化材料的水热和超声化学制备等方面取得了若干创新性研究成果。在国际期刊上发表SCI论文>200篇，单篇最高SCI引文490余次， H-index为135。
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