下一代光催化剂“横空出世”：新型蛋黄壳纳米晶体应用多多

2022-06-10 16:02:25  信息编号：K220147  浏览次数：153

由于其独特的具有可移动内核的可渗透空心壳结构，新型蛋黄壳纳米晶体适用于多种应用。东京理工大学的研究人员使用一种新颖的连续离子交换工艺开发了由金核和各种半导体壳组成的蛋黄壳纳米晶体，这些金属-半导体蛋黄-壳纳米晶体可以作为许多应用的高效光催化剂。

蛋黄壳纳米晶体是具有迷人结构特性的独特材料，例如可渗透的壳、内部空隙空间和可移动的蛋黄。这些纳米晶体适用于各种应用，具体取决于用于制造它们的材料的选择。

例如，如果它们的壳的内表面是反射性的，则蛋黄壳纳米晶体可以制成可靠的光伏器件。可移动的核心罐可以充当搅拌器，能够混合保持在壳内的溶液。壳的内外表面为反应提供了大量的活性位点，蛋黄壳结构的迷人特性（结构表面之间的电子相互作用和电荷转移的结果）使这些纳米晶体成为光催化应用的理想选择。可以理解的是，蛋黄壳纳米晶体已经引起了全世界研究人员的关注。

现在，由东京工业大学的 Tso-Fu Mark Chang 副教授和 Chen-Yi Chen 助理教授领导的国际研究团队在ACS Applied Nano Materials上发表的一项合作研究也被选为 ACS 编辑选择（ Tokyo Tech) 和中国中国中国台湾省国立阳明交通大学的 Yung-Jung Hsu 教授开发了几种蛋黄壳结构，其中包含金属金 (Au) 蛋黄和各种半导体壳。这种结构因其金核而具有迷人的特性，在全球范围内越来越受欢迎。

“由金属蛋黄和半导体壳组成的蛋黄壳纳米晶体特别有趣，因为它们可以用于与质量传输相关的用途，例如光催化，”陈教授说。

为了制造纳米晶体，研究人员采用了顺序离子交换过程。该过程包括在 Au@Cu2O 核壳纳米晶体模板上进行精细的硫化（其中 Au 有助于核，而 Cu2O 有助于壳的形成），然后进行动力学控制的阳离子交换反应，从而实现壳组成的转换（即 Cu2O ) 转化为各种金属硫化物，即半导体。以这种方式合成了四种具有代表性的蛋黄壳纳米晶体样品，包括 Au@Cu7S4、Au@CdS、Au@ZnS 和 Au@Ni3S4（如图 1 所示）。

使用 X 射线光电子能谱 (XPS) 和稳态光致发光 (PL) 光谱评估这些蛋黄壳结构作为光催化剂的性能。

图 2. (a) Au@Cu7S4、(b) Au@CdS、(c) Au@ZnS 和 (d) Au@Ni3S4 的稳态光致发光 (PL) 光谱。他们的纯同行的结果也包括在内。在光照下，发现纳米结构具有高光致发光（PL）活性，表明它们具有很强的吸收光和产生电子和空穴作为电荷载体的能力。图片来源：东京工业大学

使用 XPS，研究人员发现纳米晶体的金属核和半导体壳具有有利于光催化应用的电子相互作用。时间分辨 PL 光谱显示纳米结构具有高 PL 强度，表明其具有高光催化活性，这意味着它们具有很强的吸收光和产生电子-空穴电荷载体的能力（如图 2 所示）。

“在现实世界中，分离的光激发电子和空穴促进的反应通过产生活性氧物质在环境净化中发挥作用，”陈教授解释说，他描述了一种可以使用新型蛋黄壳光催化剂的场景，这些光激发的电子和空穴可以促进多种反应，使蛋黄壳纳米晶体适用于环境净化、制氢和二氧化碳还原等许多领域。