Adv. Funct. Mater. : 高结晶度2D硫磷化锰纳米片及其光催化活性

【引言】

由于具有高效的电荷/电子传递、良好的稳定性以及丰富的表面暴露活性位点，2D层状过渡金属硫化物(MX₂)吸引了研究人员将其用于催化分解水制氢产氧的巨大兴趣。到目前为止，研究人员针对其可控合成和性能增强已进行了广泛的研究。在催化析氢反应(HER)过程中，外部引入的P位点将起到至关重要的作用，这一点已在MoS₂、WS₂和CoS₂的研究中得到证实。CoPS、CoS/P和MoP/S具有相当高的催化制氢活性。此外，实际研究结果证明增加过渡金属磷化物(如Ni_xP_y、Mo_xP_y和Co_xP_y等)中磷原子的含量有助于提升其催化制氢活性。因此，若一种催化剂能将过渡金属、硫族元素、磷和2D等特点集于一身，将有望实现催化活性的极大提升。就此而言，过渡金属硫磷化物(MPX₃)是最优备选之一。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心何军研究员、王振兴研究员(共同通讯作者)等报道了在柔性碳纤维基底上系统地生长MnPX₃纳米片的新路线，并在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“High Crystal Quality 2D Manganese Phosphorus Trichalcogenide Nanosheets and their Photocatalytic Activity”的研究论文。作者对CVD过程的温度曲线进行精心优化，以简单的方式成功地将氧化物前驱体转化为高结晶度硫磷化物。此外，所得锰基硫磷化物纳米片在模拟太阳光(AM 1.5G)、无牺牲试剂下显示出良好的光催化分解水活性。这项研究为探索功能二维材料的奇妙世界奠定了重要的基础。

【图文简介】

图1 MPX₃催化剂的制备及晶体结构

a) CVD法制备混相(路线I)和纯相(路线II)产物的温度曲线以及相应的化学结构；

b) 两种路线生长的产物的XRD谱图。

图2 MPX₃催化剂的形貌和元素分析

a) MnPS₃的AFM图像(标尺：0.5 μm)；

b) MnPSe₃的AFM图像(标尺：0.5 μm)；

c) MnPS₃的EDX元素分布图像(标尺：2 nm)；

d,e) MnPS₃的HRTEM图像(标尺：2 nm)和SAED选区衍射；

f,g) MnPSe₃的HRTEM图像(标尺：2 nm)和SAED选区衍射。

图3 MPX₃催化剂的表面元素分析

a) MnPS₃的Raman光谱；

b) MnPSe₃的Raman光谱；

c,d) MnPS₃的P 2p和S 2p XPS光谱；

e,f) MnPSe₃的P 2p和Se 3d XPS光谱。

图4 MPX₃催化剂的能带位置

a) MPX₃催化剂的带隙图；

b) MPX₃催化剂的紫外光电子能谱；

c) MPX₃催化剂的Mott-Schottky测试；

d) MPX₃催化剂的能带结构。

图5 MPX₃催化剂的光催化制氢性能

a) MPX₃催化剂的光催化制氢速率以及循环稳定性测试(每次循环6 h)(红色：MnPS₃；蓝色：MnPSe₃)；

b) DMPO捕获羟基自由基的ESR信号；

c) MPX₃催化剂的分解水示意图。

【小结】

作者合理设计了制备锰基过渡金属硫磷化物的新路线。对CVD生长条件优化后，MnPS₃和MnPSe₃纳米片已成功生长于柔性碳纤维基底上。作者首先从理论上推测直接带隙的MnPX₃纳米片具有光催化活性，之后从实验上证实其具有太阳光催化活性。这项工作可以为新兴的MPX₃二维材料在催化分解水和其他光电器件领域寻求突破打下基础。

文献链接： High Crystal Quality 2D Manganese Phosphorus Trichalcogenide Nanosheets and their Photocatalytic Activity (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800548)

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