纳米尺度阴离子交换反应新机制

advs201500350-gra-0001-m阳离子交换反应和阴离子交换反应是合成组分可控的纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米片等纳米结构的理想方法。然而,大部分研究主要集中在基于Kirkendall效应的阳离子交换方面,这是因为一方面阳离子交换的反应条件温和,另一方面所得纳米结构可以有效保留原有纳米材料的形貌和尺寸。相比阳离子交换,阴离子交换反应速度慢,通常反应条件苛刻,而且伴随有纳米结构尺寸和形貌的变化。因此对纳米尺度上的阴离子交换反应机理研究甚少。来自苏州大学的李桢教授,澳大利亚卧龙岗大学的窦士学院士、澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授的团队以Cu2E(E=O, S, Se)纳米颗粒为原料,通过室温阴离子交换反应在水溶液中快速合成无稳定剂修饰的,尺寸、形貌和性能可控的Cu2Te纳米片和纳米管,提出了交换-生长-剥离的新机制。结果表明在阴离子交换反应的初始阶段形成核壳结构的Cu2E@Cu2Te 纳米颗粒。由于Cu2Te和Cu2E的巨大的晶体结构差异(如Cu2Se是立方结构而Cu2Te则是六方结构),以及生长过程中积累的应力,Cu2Te壳层生长至4 nm左右开始破裂,剥离脱落,并继续生长为片层结构。纳米片的大小和厚度可以通过控制反应条件进行调节,所得纳米片可以在外力(如搅拌)的作用下卷曲成纳米管。调控搅拌速度可以调节卷曲程度以及纳米管的长短和形貌。

尽管碲化铜组分简单,但是具有非常复杂的晶体结构和丰富的物理化学性质。其纳米结构在光电转化,热电转化,光热治疗,传感器,表面拉曼增强等方面具有广阔的应用前景。该团队还系统研究了Cu2Te纳米颗粒,纳米片和纳米管作为CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池对电极对含硫电解液的催化作用,首次观察到了催化性能的形貌依赖性。相比于贵金属对电极,Cu2Te纳米结构具有极高的催化活性,整体光电转化效率较贵金属对电极提高了70%。

相关结果发表在Adv. Sci. 杂志上(Adv. Sci., DOI: 10.1002/advs.201500350)。相关工作得到了澳大利亚科学研究项目和宝钢-澳大利亚研究中心的支持。