光催化可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化（如光催化分解水制氫），是獲得新能源的一個(gè)重要途徑，發(fā)展可有效吸收可見(jiàn)光的光催化材料是實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能光催化轉(zhuǎn)化的前提。為獲得具有寬譜可見(jiàn)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(lǐng)域重要的兩個(gè)努力方向。
金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部劉崗研究員自2004年以來(lái)一直致力于發(fā)展具有寬譜可見(jiàn)光吸收的光催化材料，一方面通過(guò)能帶調(diào)控縮小半導(dǎo)體帶隙進(jìn)而增加可見(jiàn)光吸收；另一方面積極探索未知的可見(jiàn)光光催化材料。近期他們先后發(fā)現(xiàn)了硫、硼等單質(zhì)可以作為可見(jiàn)光光催化材料，在單質(zhì)元素光催化材料方面取得了重要進(jìn)展。
硫單質(zhì)具有30余種同素異形體，多數(shù)由6-20個(gè)硫原子組成的環(huán)狀分子構(gòu)成，在標(biāo)準(zhǔn)溫度與壓力條件下，皇冠狀結(jié)構(gòu)S8分子最穩(wěn)定，它的正交結(jié)構(gòu)晶形 -S最穩(wěn)定（圖1a）。研究發(fā)現(xiàn) -S晶體的帶隙為2.79eV，可吸收至約475nm的可見(jiàn)光（圖1b），且具有適合光催化反應(yīng)（分解水、羥基自由基生成）的帶邊位置。進(jìn)一步的光催化活性研究表明 -S晶體在可見(jiàn)光條件下具有光電化學(xué)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(shí) -S晶體作為光催化材料展現(xiàn)出高的光化學(xué)穩(wěn)定性。
硼單質(zhì)由于具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性等諸多顯著特點(diǎn)，吸引了廣泛的研究興趣，特別是在硼基超硬、超導(dǎo)材料領(lǐng)域，然而硼單質(zhì)的半導(dǎo)體屬性的潛在應(yīng)用尚未被開(kāi)發(fā)。硼單質(zhì)的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為 相的斜方六面體結(jié)構(gòu)（ -B），其單胞由107個(gè)原子組成（圖1c），具有p型半導(dǎo)體屬性。研究表明亞微米的 -B晶體的光吸收邊可延伸至近800nm（圖1d），具有穩(wěn)定的可見(jiàn)光光催化生成羥基自由基的能力，去除厚約2nm的無(wú)定型表層可提高光催化性能2.2倍，原因在于無(wú)定型層所產(chǎn)生的局域能級(jí)或帶尾降低了光生載流子的遷移率和氧化還原能力。
圖1 a： -S晶體的單胞原子結(jié)構(gòu)；b： -S晶體的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；c： -B晶體的單胞原子結(jié)構(gòu)；d： -B晶體的紫外-可見(jiàn)吸收光譜
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在J Am Chem Soc 2012, 134, 9070?9073、Angew Chem Int Ed 2013, 52, 6242-6245，并受邀就單質(zhì)光催化材料撰寫(xiě)了concept paper（Chem Phys Chem 2013, 14, 885-892.）。
