【引言】

由于具有高效的結(jié)晶電荷/電子傳遞、良好的硫磷穩(wěn)定性以及豐富的表面暴露活性位點(diǎn)，2D層狀過渡金屬硫化物(MX₂)吸引了研究人員將其用于催化分解水制氫產(chǎn)氧的化錳活性巨大興趣。到目前為止，納米牛研究人員針對其可控合成和性能增強(qiáng)已進(jìn)行了廣泛的片及研究。在催化析氫反應(yīng)(HER)過程中，其光外部引入的催化材料P位點(diǎn)將起到至關(guān)重要的作用，這一點(diǎn)已在MoS₂、結(jié)晶WS₂和CoS₂的硫磷研究中得到證實(shí)。CoPS、化錳活性CoS/P和MoP/S具有相當(dāng)高的納米牛催化制氫活性。此外，片及實(shí)際研究結(jié)果證明增加過渡金屬磷化物(如Ni_xP_y、其光Mo_xP_y和Co_xP_y等)中磷原子的催化材料含量有助于提升其催化制氫活性。因此，結(jié)晶若一種催化劑能將過渡金屬、硫族元素、磷和2D等特點(diǎn)集于一身，將有望實(shí)現(xiàn)催化活性的極大提升。就此而言，過渡金屬硫磷化物(MPX₃)是最優(yōu)備選之一。

【成果簡介】

近日，國家納米科學(xué)中心何軍研究員、王振興研究員(共同通訊作者)等報道了在柔性碳纖維基底上系統(tǒng)地生長MnPX₃納米片的新路線，并在Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了題為“High Crystal Quality 2D Manganese Phosphorus Trichalcogenide Nanosheets and their Photocatalytic Activity”的研究論文。作者對CVD過程的溫度曲線進(jìn)行精心優(yōu)化，以簡單的方式成功地將氧化物前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為高結(jié)晶度硫磷化物。此外，所得錳基硫磷化物納米片在模擬太陽光(AM 1.5G)、無犧牲試劑下顯示出良好的光催化分解水活性。這項(xiàng)研究為探索功能二維材料的奇妙世界奠定了重要的基礎(chǔ)。

【圖文簡介】

圖1 MPX₃催化劑的制備及晶體結(jié)構(gòu)

a) CVD法制備混相(路線I)和純相(路線II)產(chǎn)物的溫度曲線以及相應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)；

b) 兩種路線生長的產(chǎn)物的XRD譜圖。

圖2 MPX₃催化劑的形貌和元素分析

a) MnPS₃的AFM圖像(標(biāo)尺：0.5 μm)；

b) MnPSe₃的AFM圖像(標(biāo)尺：0.5 μm)；

c) MnPS₃的EDX元素分布圖像(標(biāo)尺：2 nm)；

d,e) MnPS₃的HRTEM圖像(標(biāo)尺：2 nm)和SAED選區(qū)衍射；

f,g) MnPSe₃的HRTEM圖像(標(biāo)尺：2 nm)和SAED選區(qū)衍射。

圖3 MPX₃催化劑的表面元素分析

a) MnPS₃的Raman光譜；

b) MnPSe₃的Raman光譜；

c,d) MnPS₃的P 2p和S 2p XPS光譜；

e,f) MnPSe₃的P 2p和Se 3d XPS光譜。

圖4 MPX₃催化劑的能帶位置

a) MPX₃催化劑的帶隙圖；

b) MPX₃催化劑的紫外光電子能譜；

c) MPX₃催化劑的Mott-Schottky測試；

d) MPX₃催化劑的能帶結(jié)構(gòu)。

圖5 MPX₃催化劑的光催化制氫性能

a) MPX₃催化劑的光催化制氫速率以及循環(huán)穩(wěn)定性測試(每次循環(huán)6 h)(紅色：MnPS₃；藍(lán)色：MnPSe₃)；

b) DMPO捕獲羥基自由基的ESR信號；

c) MPX₃催化劑的分解水示意圖。

【小結(jié)】

作者合理設(shè)計了制備錳基過渡金屬硫磷化物的新路線。對CVD生長條件優(yōu)化后，MnPS₃和MnPSe₃納米片已成功生長于柔性碳纖維基底上。作者首先從理論上推測直接帶隙的MnPX₃納米片具有光催化活性，之后從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)其具有太陽光催化活性。這項(xiàng)工作可以為新興的MPX₃二維材料在催化分解水和其他光電器件領(lǐng)域?qū)で笸黄拼蛳禄A(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接： 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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