Une avancée significative dans l'activité photocatalytique des matériaux conventionnels est démontrée par une hétérostructure bidimensionnelle comprenant des nanocouches de deux semi-conducteurs :le phosphore noir et le tungstate de bismuth. Comme les chercheurs l'ont rapporté dans la revue Angewandte Chemie , ce catalyseur exploite l'énergie de la lumière visible pour diviser l'eau et produire de l'hydrogène, et pour décomposer le monoxyde d'azote dans les gaz d'échappement.

Tout comme les plantes utilisent la photosynthèse, certains semi-conducteurs sont capables d'absorber l'énergie de la lumière et de l'utiliser pour alimenter des réactions chimiques. Par exemple, tungstate de bismuth (Bi 2 WO 6 ) devrait, en principe, être adapté à la dégradation photocatalytique du monoxyde d'azote (NO) et à la production d'hydrogène. Cependant, jusqu'à présent, les résultats n'ont pas été très satisfaisants. Une approche pour améliorer les performances de ce matériau consiste à lier des nanocouches bidimensionnelles de tungstate de bismuth dans une hétérojonction en couches avec une seconde nanocouche d'un semi-conducteur différent.

Une équipe dirigée par Dongyun Chen et Jianmei Lu à l'Université de Soochow, Suzhou, et l'Université du Jiangsu, Zhenjiang (Chine) a découvert que le phosphore noir peut être un partenaire approprié pour ce type d'hétérostructure. Ce matériau présente des propriétés photocatalytiques, bien qu'il ait eu une application limitée à ce jour.

Le phosphore noir est constitué de couches ondulées d'anneaux à six chaînons qui peuvent être divisés en couches atomiques individuelles. Les chercheurs ont recouvert ces nanocouches uniformément avec des puces de 50 nm de tungstate de bismuth. Les deux semi-conducteurs sont en contact très étroit dans cette hétérostructure facilement et efficacement réalisable, résultant en un effet synergique. Le phosphore noir fournit une large plage d'absorption dans le spectre de la lumière solaire. Les niveaux d'énergie des électrons dans les deux matériaux sont favorablement placés. Cela permet aux charges positives et négatives induites par la lumière (paires électron-trou) d'être efficacement séparées, transporté au sein de l'hétérostructure, et transféré aux molécules. Les chercheurs proposent que le mécanisme de transfert de charge ressemble au soi-disant schéma en Z présent dans la photosynthèse.

Comme prévu, la dégradation photocatalytique du NO par l'hétérostructure était significativement plus efficace qu'avec d'autres matériaux à base de bismuth. Pour la production photocatalytique d'hydrogène, un cocatalyseur supplémentaire à base de platine a été ajouté. Sous irradiation, les électrons peuvent passer de l'hétérostructure aux atomes de platine, et à partir de là, ils sont capables de réduire rapidement le H ⁺ ions dans l'eau pour former de l'hydrogène gazeux. Avec la lumière visible, l'efficacité du processus catalytique était neuf fois supérieure à celle du tungstate de bismuth pur.

Les chercheurs suggèrent que le phosphore noir peut avoir une large applicabilité qui s'étend aux énergies renouvelables et au traitement des gaz d'échappement.