光催化可實現(xiàn)太陽能到化學能的轉化（如光催化分解水制氫），是獲得新能源的一個重要途徑，發(fā)展可有效吸收可見光的光催化材料是實現(xiàn)高效太陽能光催化轉化的 前提。為獲得具有寬譜可見光吸收的光催化材料，改善已知光催化材料和探索未知光催化材料是該領域重要的兩個努力方向。

    中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料研究部劉崗研究員自2004年以來，一直致力于發(fā)展具有寬譜可見光吸收的光催化材料，一方面通 過能帶調控縮小半導體帶隙進而增加可見光吸收；另一方面積極探索未知的可見光光催化材料。近期，他們先后發(fā)現(xiàn)了硫、硼等單質可以作為可見光光催化材料，在 單質元素光催化材料方面取得了重要進展。

    硫單質具有30余種同素異形體，多數(shù)由6-20個硫原子組成的環(huán)狀分子構成，在標準溫度與壓力條件下，皇冠狀結構S8分子最穩(wěn)定，它的正交結構晶形α-S 最穩(wěn)定（圖1a）。研究發(fā)現(xiàn)，α-S晶體的帶隙為2.79eV，可吸收至約475nm的可見光（圖1b），且具有適合光催化反應（分解水、羥基自由基生 成）的帶邊位置。進一步的光催化活性研究表明，α-S晶體在可見光條件下具有光電化學分解水制氫、產(chǎn)生羥基自由基、降解污染物羅丹明B的能力，減小晶體顆 粒尺寸可顯著提高光催化活性，同時α-S晶體作為光催化材料展現(xiàn)出高的光化學穩(wěn)定性。

    硼單質由于具有輕質、高強度、高硬度、高化學穩(wěn)定性等諸多顯著特點，吸引了廣泛的研究興趣，特別是在硼基超硬、超導材料領域，然而硼單質的半導體屬性的潛 在應用尚未被開發(fā)。硼單質的最穩(wěn)定結構為β相的斜方六面體結構（β-B），其單胞由107個原子組成（圖1c），具有p型半導體屬性。研究表明，亞微米的 β-B晶體的光吸收邊可延伸至近800nm（圖1d），具有穩(wěn)定的可見光光催化生成羥基自由基的能力，去除厚約2nm的無定型表層可提高光催化性能2.2 倍，原因在于無定型層所產(chǎn)生的局域能級或帶尾降低了光生載流子的遷移率和氧化還原能力。

    相關研究結果發(fā)表在J Am Chem Soc 2012, 134, 9070?9073和Angew Chem Int Ed 2013, 52, 6242-6245，并受邀就單質光催化材料撰寫了concept paper（Chem Phys Chem 2013, 14, 885-892.）。

圖1 a：α-S晶體的單胞原子結構；b：α-S晶體的紫外-可見吸收光譜；c：β-B晶體的單胞原子結構；d：β-B晶體的紫外-可見吸收光譜

來源：金屬研究所