Un progresso significativo nell'attività fotocatalitica dei materiali convenzionali è dimostrato da un'eterostruttura bidimensionale comprendente nanostrati di due semiconduttori:fosforo nero e tungstato di bismuto. Come i ricercatori hanno riportato sulla rivista Angewandte Chemie , questo catalizzatore sfrutta l'energia della luce visibile per scindere l'acqua e produrre idrogeno, e per abbattere il monossido di azoto nei gas di scarico.

Proprio come le piante usano la fotosintesi, alcuni semiconduttori sono in grado di assorbire l'energia della luce e utilizzarla per alimentare reazioni chimiche. Per esempio, bismuto tungstato (Bi ₂ WO ₆ ) dovrebbe, in linea di principio, essere idoneo alla degradazione fotocatalitica del monossido di azoto (NO) e alla produzione di idrogeno. Però, i risultati finora non sono stati molto soddisfacenti. Un approccio per migliorare le prestazioni di questo materiale consiste nel legare nanostrati bidimensionali del tungstato di bismuto in un'eterogiunzione a strati con un secondo nanostrato di un diverso semiconduttore.

Un team guidato da Dongyun Chen e Jianmei Lu alla Soochow University, Suzhou, e l'Università di Jiangsu, Zhenjiang (Cina) ha scoperto che il fosforo nero può essere un partner adatto per questo tipo di eterostruttura. Questo materiale dimostra proprietà fotocatalitiche, sebbene abbia avuto finora un'applicazione limitata.

Il fosforo nero è costituito da strati increspati di anelli a sei membri che possono essere suddivisi in singoli strati atomici. I ricercatori hanno coperto questi nanostrati in modo uniforme con chip da 50 nm di tungstato di bismuto. I due semiconduttori sono in stretto contatto in questa eterostruttura producibile in modo semplice ed efficiente, determinando un effetto sinergico. Il fosforo nero fornisce un ampio intervallo di assorbimento nello spettro della luce solare. I livelli energetici degli elettroni nei due materiali sono posizionati favorevolmente. Ciò consente di separare efficacemente le cariche positive e negative indotte dalla luce (coppie elettrone-foro), trasportato all'interno dell'eterostruttura, e trasferiti alle molecole. I ricercatori propongono che il meccanismo di trasferimento di carica assomigli al cosiddetto schema Z presente nella fotosintesi.

Come previsto, la degradazione fotocatalitica dell'NO da parte dell'eterostruttura è risultata significativamente più efficace rispetto ad altri materiali a base di bismuto. Per la produzione fotocatalitica di idrogeno, è stato aggiunto un ulteriore co-catalizzatore a base di platino. Sotto irraggiamento, gli elettroni possono spostarsi dall'eterostruttura agli atomi di platino, e da lì sono in grado di ridurre rapidamente l'H ⁺ ioni in acqua per formare gas idrogeno. Con luce visibile, l'efficienza del processo catalitico era nove volte quella del tungstato di bismuto puro.

I ricercatori suggeriscono che il fosforo nero potrebbe avere un'ampia applicabilità che si estende alle energie rinnovabili e al trattamento dei gas di scarico.