Так же, как растения используют фотосинтез, некоторые полупроводники могут поглощать энергию света и использовать ее для ускорения химических реакций. Например, вольфрамат висмута (Bi (2) WO (6)) в принципе должен подходить для фотокаталитического разложения монооксида азота (NO) и производства водорода. Однако результаты пока не очень удовлетворительны.
Один из подходов к улучшению характеристик этого материала состоит в том, чтобы связать двумерные нанослои вольфрамата висмута в слоистый гетеропереход со вторым нанослоем другого полупроводника.
Команда под руководством Донгюна Чена и Цзянмей Лу из Университета Сучжоу, Сучжоу, и Университета Цзянсу, Чжэньцзян (Китай), обнаружила, что черный фосфор может быть подходящим партнером для этого типа гетероструктуры.
Этот материал демонстрирует фотокаталитические свойства, хотя до сих пор имеет ограниченное применение.
Черный фосфор состоит из волнистых слоев шестичленных колец, которые можно разделить на отдельные атомные слои. Исследователи равномерно покрыли эти нанослои 50-нанометровыми чипами вольфрамата висмута.
Два полупроводника находятся в очень тесном контакте в этой простой и эффективно производимой гетероструктуре, что приводит к синергетическому эффекту. Черный фосфор обеспечивает широкий диапазон поглощения в спектре солнечного света.
Уровни энергии электронов в двух материалах выгодно расположены. Это позволяет эффективно разделять индуцированные светом положительные и отрицательные заряды (электронно-дырочные пары), переносить их внутри гетероструктуры и передавать молекулам. Исследователи предполагают, что механизм переноса заряда напоминает так называемую Z-схему, присутствующую в фотосинтезе.
Как и ожидалось, фотокаталитическое разложение NO гетероструктурой было значительно более эффективным, чем с другими материалами на основе висмута. Для фотокаталитического производства водорода был добавлен дополнительный сокатализатор на основе платины. Под облучением электроны могут переходить от гетероструктуры к атомам платины, и оттуда они могут быстро восстанавливать ионы H (+) в воде с образованием газообразного водорода. При использовании видимого света эффективность каталитического процесса была в девять раз выше, чем у чистого вольфрамата висмута.
Исследователи предполагают, что черный фосфор может иметь широкое применение, которое распространяется на возобновляемые источники энергии и обработку выхлопных газов.