多节鞘层异质纳米棒: 提升太阳能转换效率的新结构

利用半导体材料高效地将太阳能转换为电能/化学能是解决目前能源危机的重要途径。构筑具有可控组分和形貌的独特纳米结构是调节材料光激发性能的有效方式。异质纳米结构中的异质界面可以独立地控制电子和空穴的运输和传递,为许多光电应用提供了材料基础。到目前为止,基于半导体异质结构的设计合成和性能研究已经发展许久。然而,构筑更多具有特定功能的新颖复杂异质纳米结构仍然需要高度的合成独特性和创造性。

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近期,中国科学技术大学俞书宏教授领导的课题组,在之前的工作基础上(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11495-11500; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6396-6400),基于结构重构的合成策略在溶液相中成功制备了一种独特的一维周期性多四面体鞘硫化物异质纳米棒-[ZnS-(CdS/Au)]-ZnS-[ZnS-(CdS/Au)]-ZnS-。在该结构中,ZnS纳米棒上分段镶嵌着CdS四面体鞘层,而贵金属Au纳米颗粒有选择性地生长在CdS四面体的顶点和棱上(暴露大面积的CdS面,有利于更好地光吸收)。这一特殊的三元材料体系能够有效实现太阳能的吸收和转化,促使光催化产氢和光电转换性能得到大大提升。

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以复杂多节点鞘ZnS-CdS异质纳米棒为晶种进行后处理修饰,从而制备新颖的一维多四面体鞘ZnS-CdS异质纳米棒。这种CdS鞘形貌从类球形到四面体的演变,是由于晶面选择性吸附配体的十二硫醇可以更容易地与CdS(111)晶面吸附,降低其生长速率,致使此晶面在生长过程中得以保存。通过在此二元异质结构的CdS四面体鞘的顶点和棱位置选择性复合Au纳米颗粒,实现体系从二元到三元的转变(组分选择促使异质结构构型从type-I转换为type-II),促使光激发电子和空穴的有效分离。这种结构重构的设计方式为形成更多复杂独特纳米结构提供了制备方法基础,同时这种独特的一维多四面体鞘异质纳米棒体系的研究也将为今后进一步提升太阳能转换效率提供了新思路。相关研究成果发表在Small(DOI:10.1002/smll.201602629)上。