磷化钴双壳纳米笼:广谱吸光材料的多功能应用

太阳能作为当今社会可再生能源的主要来源,其开发利用仍存在巨大空间。有效地捕获太阳能以转化为其他形式的能量(例如:电能、化学能、热能)可通过光伏、光催化以及光热等途径实现,但其转换效率仍受限于常见的具有较窄吸收窗口的吸光材料。在太阳光谱中,紫外(波长小于400纳米)、可见(波长范围400~760纳米)、红外光(波长范围760~3000纳米)分别对整个光谱能量贡献了6.8%, 38.9%和54.3%。尽管太阳能高效转换极其重要,可有效地吸收从紫外至近红外光谱的广谱吸光材料仍然十分匮乏。

针对上述问题,科学工作者们开展了大量的研究工作,开发并制备了包括等离子体金属纳米粒子、金属氧化物半导体、金属硫族化合物量子点在内的一系列材料用以提升吸光性能。但这些材料在制备或使用上都存在一定程度的缺陷:例如等离子体金属纳米粒子的有效吸光范围仅在以纳米颗粒的等离子体共振波长为中心的有限带宽内;为了拓宽金属氧化物的吸光范围则需要相对繁琐的制备流程;对于金属硫族化合物而言,光腐蚀问题大大限制了其应用。最近关于过渡金属磷化物纳米结构(纳米线、纳米片、纳米粒子)作为光催化材料的报道引起了广泛的关注,该类材料具有相对于金属硫族化合物更高的稳定性以及比金属氧化物更高的导电性能。但广谱吸光的过渡金属磷化物纳米结构仍未见报道。

SMll—chenpeng

新加坡南洋理工大学陈鹏教授课题组在近期的研究工作中展示了一种新型过渡金属磷化物空心纳米结构。该项研究独特之处在于,磷化钴双壳纳米笼结构是通过低温磷化其类普鲁士蓝衍生的氧化物前驱体制得,并表现出对紫外到近红外区间光谱(至2500纳米)的高效吸收能力。研究者们相继证实了该结构可分别用作光热试剂及光活性材料实现太阳能转换。即利用其近红外光-热转换能力在第一、第二近红外窗口内有效杀死癌细胞,其光热转换效率高达28.2%(808纳米),可与经典的光热试剂(纳米金、硫化铜、硒化铜)相媲美。另一方面,利用其光-电转换能力构建了基于p-n异质结的自驱动光电化学传感平台,可实现对过氧化氢、葡萄糖的灵敏检测,并证实了在人体正常血糖范围(3~8毫摩尔/升)内的有效检测。

该研究团队还预期了磷化钴双壳纳米笼在太阳能利用和转换领域内更为广泛的应用,例如光热海水淡化、光热-光催化、光伏器件等。同时也指出了其他过渡金属磷化物纳米结构在太阳能捕获领域的巨大应用前景。相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201700798)上。