Un avance significativo en la actividad fotocatalítica de los materiales convencionales se demuestra por una heteroestructura bidimensional que comprende nanocapas de dos semiconductores:fósforo negro y tungstato de bismuto. Como han informado los investigadores en la revista Angewandte Chemie , este catalizador aprovecha la energía de la luz visible para dividir el agua y producir hidrógeno, y descomponer el monóxido de nitrógeno en los gases de escape.

Así como las plantas usan la fotosíntesis, ciertos semiconductores pueden absorber la energía de la luz y utilizarla para impulsar reacciones químicas. Por ejemplo, tungstato de bismuto (Bi ₂ WO ₆ ) deberían, en principio, Ser adecuado para la degradación fotocatalítica de monóxido de nitrógeno (NO) y la producción de hidrógeno. Sin embargo, los resultados hasta ahora no han sido muy satisfactorios. Un enfoque para mejorar el rendimiento de este material es unir nanocapas bidimensionales de tungstato de bismuto en una heterounión en capas con una segunda nanocapa de un semiconductor diferente.

Un equipo dirigido por Dongyun Chen y Jianmei Lu en la Universidad de Soochow, Suzhou, y la Universidad de Jiangsu, Zhenjiang (China) descubrió que el fósforo negro puede ser un socio adecuado para este tipo de heteroestructura. Este material demuestra propiedades fotocatalíticas, aunque ha tenido una aplicación limitada hasta la fecha.

El fósforo negro consiste en capas onduladas de anillos de seis miembros que se pueden dividir en capas atómicas individuales. Los investigadores cubrieron estas nanocapas de manera uniforme con chips de 50 nm de tungstato de bismuto. Los dos semiconductores están en contacto muy estrecho en esta heteroestructura producible de manera simple y eficiente, resultando en un efecto sinérgico. El fósforo negro proporciona un amplio rango de absorción en el espectro de la luz solar. Los niveles de energía de los electrones en los dos materiales se sitúan favorablemente. Esto permite que las cargas positivas y negativas inducidas por la luz (pares de electrones y huecos) se separen de manera eficiente, transportado dentro de la heteroestructura, y transferido a moléculas. Los investigadores proponen que el mecanismo de transferencia de carga se asemeja al llamado esquema Z presente en la fotosíntesis.

Como se esperaba, la degradación fotocatalítica de NO por la heteroestructura fue significativamente más efectiva que con otros materiales a base de bismuto. Para la producción fotocatalítica de hidrógeno, Se añadió un cocatalizador adicional a base de platino. Bajo irradiación, los electrones pueden moverse de la heteroestructura a los átomos de platino, y a partir de ahí son capaces de reducir rápidamente la H ⁺ iones en agua para formar gas hidrógeno. Con luz visible, la eficiencia del proceso catalítico fue nueve veces mayor que la del tungstato de bismuto puro.

Los investigadores sugieren que el fósforo negro puede tener una amplia aplicabilidad que se extiende a las energías renovables y al tratamiento de los gases de escape.