Een significante vooruitgang in de fotokatalytische activiteit van conventionele materialen wordt aangetoond door een tweedimensionale heterostructuur die bestaat uit nanolagen van twee halfgeleiders:zwarte fosfor en bismutwolframaat. Zoals onderzoekers hebben gerapporteerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , deze katalysator gebruikt de energie van zichtbaar licht om water te splitsen en waterstof te produceren, en om stikstofmonoxide in uitlaatgas af te breken.

Net zoals planten fotosynthese gebruiken, bepaalde halfgeleiders kunnen de energie van licht absorberen en gebruiken om chemische reacties aan te sturen. Bijvoorbeeld, bismut wolframaat (Bi ₂ WO ₆ ) zou moeten, in principe, geschikt zijn voor de fotokatalytische afbraak van stikstofmonoxide (NO) en de productie van waterstof. Echter, de resultaten zijn tot nu toe niet erg bevredigend. Een benadering om de prestaties van dit materiaal te verbeteren, is door tweedimensionale nanolagen van het bismutwolframaat te binden in een gelaagde heterojunctie met een tweede nanolaag van een andere halfgeleider.

Een team onder leiding van Dongyun Chen en Jianmei Lu aan de Soochow University, Suzhou, en de Jiangsu-universiteit, Zhenjiang (China) ontdekte dat zwarte fosfor een geschikte partner kan zijn voor dit type heterostructuur. Dit materiaal vertoont fotokatalytische eigenschappen, hoewel het tot op heden een beperkte toepassing heeft gehad.

Zwarte fosfor bestaat uit gegolfde lagen van zesledige ringen die kunnen worden gesplitst in afzonderlijke atomaire lagen. De onderzoekers bedekten deze nanolagen gelijkmatig met 50 nm-chips van bismutwolframaat. De twee halfgeleiders zijn in zeer nauw contact in deze eenvoudig en efficiënt produceerbare heterostructuur, wat resulteert in een synergetisch effect. De zwarte fosfor zorgt voor een breed absorptiebereik in het spectrum van zonlicht. De energieniveaus van de elektronen in de twee materialen zijn gunstig geplaatst. Hierdoor kunnen de door licht geïnduceerde positieve en negatieve ladingen (elektron-gatparen) efficiënt worden gescheiden, getransporteerd binnen de heterostructuur, en overgebracht naar moleculen. De onderzoekers stellen voor dat het ladingsoverdrachtsmechanisme lijkt op het zogenaamde Z-schema dat aanwezig is in de fotosynthese.

Zoals verwacht, de fotokatalytische afbraak van NO door de heterostructuur was significant effectiever dan met andere op bismut gebaseerde materialen. Voor de fotokatalytische productie van waterstof, een extra op platina gebaseerde co-katalysator werd toegevoegd. Onder bestraling, elektronen kunnen van de heterostructuur naar platina-atomen gaan, en van daaruit zijn ze in staat om de H . snel te verlagen ⁺ ionen in water om waterstofgas te vormen. Met zichtbaar licht, de efficiëntie van het katalytische proces was negen keer die van zuiver bismutwolframaat.

De onderzoekers suggereren dat zwarte fosfor een brede toepasbaarheid kan hebben die zich uitstrekt tot hernieuwbare energiebronnen en de behandeling van uitlaatgassen.