Um avanço significativo na atividade fotocatalítica de materiais convencionais é demonstrado por uma heteroestrutura bidimensional composta por nanocamadas de dois semicondutores:fósforo preto e tungstato de bismuto. Como os pesquisadores relataram na revista Angewandte Chemie , este catalisador aproveita a energia da luz visível para dividir a água e produzir hidrogênio, e para decompor o monóxido de nitrogênio nos gases de exaustão.

Assim como as plantas usam fotossíntese, certos semicondutores são capazes de absorver a energia da luz e usá-la para impulsionar reações químicas. Por exemplo, tungstato de bismuto (Bi ₂ OS ₆ ) deve, em princípio, ser adequado para a degradação fotocatalítica do monóxido de nitrogênio (NO) e a produção de hidrogênio. Contudo, os resultados até agora não têm sido muito satisfatórios. Uma abordagem para melhorar o desempenho deste material é ligar nanocamadas bidimensionais de tungstato de bismuto em uma heterojunção em camadas com uma segunda nanocamada de um semicondutor diferente.

Uma equipe liderada por Dongyun Chen e Jianmei Lu na Soochow University, Suzhou, e a Universidade Jiangsu, Zhenjiang (China) descobriu que o fósforo preto pode ser um parceiro adequado para este tipo de heteroestrutura. Este material demonstra propriedades fotocatalíticas, embora tenha tido aplicação limitada até o momento.

O fósforo negro consiste em camadas onduladas de anéis de seis membros que podem ser divididos em camadas atômicas individuais. Os pesquisadores cobriram essas nanocamadas uniformemente com chips de tungstato de bismuto de 50 nm. Os dois semicondutores estão em contato muito próximo nesta heteroestrutura de produção simples e eficiente, resultando em um efeito sinérgico. O fósforo preto fornece uma ampla faixa de absorção no espectro da luz solar. Os níveis de energia dos elétrons nos dois materiais são colocados favoravelmente. Isso permite que as cargas positivas e negativas induzidas pela luz (pares elétron-buraco) sejam separadas de forma eficiente, transportado dentro da heteroestrutura, e transferidos para moléculas. Os pesquisadores propõem que o mecanismo de transferência de carga se assemelha ao chamado esquema Z presente na fotossíntese.

Como esperado, a degradação fotocatalítica de NO pela heteroestrutura foi significativamente mais eficaz do que com outros materiais à base de bismuto. Para a produção fotocatalítica de hidrogênio, um cocatalisador adicional à base de platina foi adicionado. Sob irradiação, elétrons podem se mover da heteroestrutura para átomos de platina, e a partir daí eles são capazes de reduzir rapidamente o H ⁺ íons na água para formar gás hidrogênio. Com luz visível, a eficiência do processo catalítico foi nove vezes maior do que o tungstato de bismuto puro.

Os pesquisadores sugerem que o fósforo preto pode ter ampla aplicabilidade que se estende às energias renováveis ​​e ao tratamento de gases de exaustão.