嵌入纳米金刚石的氧化亚铜纳米晶:高效的可见光催化剂

F)4[GB_VZEFFSJ(]TE{0`2X        光催化水分解产氢即在水中直接将太阳能转化为清洁、可持续的二次能源——氢能,是环境与能源科学关注的热点。氧化亚铜一直以来都是备受瞩目的典型光催化剂。窄的光学带隙赋予其良好的可见光利用率。然而,由于电子扩散长度短、空穴迁移率低,导致它的光催化性能和稳定性都无法进一步提高。另一方面,碳纳米材料由于其独特的光电性能,已经被广泛地应用于提高光催化剂的性能。但是,目前在光催化领域关于碳纳米材料的研究主要集中在SP2杂化结构碳原子构成的非金刚石相的碳量子点。而SP3杂化的纳米金刚石,却不曾被应用于可见光催化产氢领域。

        中山大学杨国伟教授研究组首次在国际上证实了纳米金刚石也是一种极具发展潜力的提高光催化剂性能的辅助材料。他们采用液相激光熔蚀技术(Laser Ablation in Liquid, LAL),在纳秒脉冲激光的作用下,将石墨粉末制备成纳米金刚石。然后,在纳米金刚石溶液中用化学还原的方法原位制备氧化亚铜纳米晶,从而得到了嵌入纳米金刚石的氧化亚铜光催化剂。相比于单纯的氧化亚铜光催化剂,嵌入纳米金刚石的复合结构在可见光催化产氢性能和光稳定性上都得到了极大的提高。其中,光氢转换效率提升了约10倍。由于所制备的纳米金刚石具有宽谱吸收和上转换发光性能,该复合光催化剂表现出宽谱响应的特性,而且在近红外波段仍然具有较大的量子效率。同时,他们指出,纳米金刚石的供电子性能以及其与氧化亚铜交错式的能带结构(type II staggered gap),促进了光生电子从纳米金刚石向氧化亚铜的注入,实现了电子空穴对的快速分离。这极大地抑制了光生电子空穴对的复合。而电子空穴对的复合正是目前阻碍光催化技术进一步发展的一大瓶颈。因此,他们认为,该复合结构的宽谱响应特性和电子空穴对的快速分离,就是实现其高效的光催化产氢性能的关键原因。显然,这些研究为纳米金刚石在能源科学领域的应用和新型光催化剂的设计提供了新的思路。相关成果已经在线发表于Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201501865)。