石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

二維材料組裝構成的范德華異質結由於具有高效的電子耦合、電子空穴對分離、電荷轉移、低能壘、可調控帶隙等性質近來引起極大的研究興趣。

西北工業大學黃維院士和新加坡南洋理工大學陳鵬教授團隊首次展示瞭新型的0維/2維范德華異質結,其具有優異的光電解水性能,且易於規模化量產

該異質結基於0維的石墨烯量子點和2維的石墨烯片。研究團隊首先采用結構最簡單最便宜的多環芳烴(萘)作為石墨烯量子點的前驅體,以先硝化後水熱的方法自下而上地高效合成單雜元素或多元素參雜石墨烯量子點。

然後利用其兩親性的特點將石墨烯量子點作為表面活性劑和插層劑,通過溶液超聲石墨粉,簡捷快速地剝離出均勻單層的石墨烯納米片。

石墨烯量子點通過π-π相互作用力吸附於石墨烯片表面從而形成0維/2維范德華異質結

DFT計算詳細揭示瞭石墨烯量子點的合成機理,以及0維/2維范德華異質結的態密度、肖特基勢壘、電荷密度分佈。

氮硫摻雜的石墨烯量子點具有較窄的帶隙可促進吸光,極低的肖特基勢壘有利於光生電荷的分離及轉移,顯著的表面電荷重排和豐富的表面活性位點都有利於極大地提高光電解水的催化性能

另外,全碳的0維/2維范德華異質結催化劑有很高的穩定性,擁有實際應用前景。

這一新型可大量制備的范德華異質結具有廣泛的應用前景,比如新型光電器件。

低成本量產石墨烯量子點,並同時實現雜原子參雜改性,對這一新型零維納米碳材料的廣泛實際應用提供瞭可能。

同時,這一工作也為方便地高效地制備單層純石墨烯片提供瞭全新的方法。

圖1. 石墨烯量子點的合成與表征

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:采用基於萘原料先硝化和水熱的方法制備石墨烯量子點,大小在5.62nm左右,多數基本在單層和雙層的厚度,熒光最佳發射546nm。

圖2. 石墨烯量子點的合成機理

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:采用最簡單便宜的多環芳烴(萘)作為原料,先硝化後水熱合成石墨烯量子點的機理是基於二硝基萘脫氫脫硝後使分子逐步融合。

圖3. 摻氮摻硫摻氮硫的石墨烯量子點的表征

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:摻氮摻硫摻氮硫的石墨烯量子點由於摻雜元素的給電子效應,使得熒光紅移,帶隙收窄,吸光增強。

圖4. 石墨烯量子點超聲剝離石墨烯形成的0維/2維范德華異質結應用於光電解水

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:石墨烯量子點可以作為兩親性表面活性劑和插層劑剝離石墨烯,形成的0維/2維范德華異質結具有良好的光生電子空穴對分離作用,其中摻氮硫的石墨烯量子點/石墨烯催化劑具有最優異的光電流、電荷傳導和光電解水性能。

圖5. 不同石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結的DFT計算態密度、肖特基勢壘及電荷分佈

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:摻氮硫的石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結具有最低的肖特基勢壘,最強的電子耦合,以及最顯著的電荷重新排佈。

圖6. 光和電的協同促進作用

黃維院士《ACS Nano》: 石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結在光電催化解水的新進展

解析:摻氮硫的石墨烯量子點/石墨烯范德華異質結催化劑具有逐漸增強促進的光生電流和電生電流,揭示瞭光催化和電催化的協同促進作用。

西北工業大學黃維院士和新加坡南洋理工大學陳鵬教授為共同通訊作者。黃維院士是高分子及納米光電材料領域的領軍人物。新加坡南洋理工大學陳鵬教授是石墨烯材料(包括石墨烯量子點)在生物醫療和能源應用研究領域的傑出研究者。此項工作以“van der Waals Heterojunction between Bottom-Up Grown Doped Graphene Quantum Dot and Graphene for Photoelectrochemical Water Splitting”為題發表在ACS Nano期刊

文章鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09554

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