Advanced Materials: 1+1>2 — 基于无镉一维半导体ZnSxSe1−x合金纳米棒的高效非贵金属析氧催化剂

析氧反应作为水分解全反应中的一个半反应,通常需要在较高的过电位下进行,其缓慢的动力学特征严重地制约了金属-空气电池、燃料电池等清洁能源器件的能量转换效率。目前,以IrO2 和RuO2 为代表的贵金属基催化剂在析氧反应中具有高活性和高稳定性,但贵金属催化剂成本较高, 限制了其广泛的商业应用。另一方面,目前文献报道的可用于光解水的半导体量子点大多基于毒性强、对环境污染大的镉硫族体系,例如硫化镉、硒化镉等。因此,探索无镉半导体量子点催化剂对于减少环境污染、降低催化剂成本、推动产业技术升级等都具有重大的意义。相对于贵金属催化剂,锌硫族半导体量子点催化剂具有廉价、绿色环保等优点,但其催化活性较低,并且由于锌硫族量子点生长区间比较窄,很难实现尺寸和形貌的精确调控,因此之前的报道中鲜有直接将锌硫族量子点作为光催化剂的探索。

 

近期,澳大利亚科廷大学(Curtin University)夹国华课题组和王少彬课题组与埃迪斯科文大学(Edith Cowan University)孙红旗课题组以及伦敦大学学院(University College London)李云国博士合作,借助胶体化学生长技术,设计并合成出一种廉价高效的合金硒硫化锌 (ZnSxSe1-x) 纳米棒析氧催化剂。研究者们利用十二烷基硫醇的腐蚀作用,在高温下将长短不一的ZnSe纳米棒重整,获得了近单分散具有独特合金结构的ZnSxSe1-x纳米棒。该纳米棒表现出优异的析氧和光电响应性能,形成良好的催化机制,析氧速率达到3000 µmol g−1 h−1,其性能较纯ZnSe纳米棒和ZnS纳米棒都提高了5倍以上。密度泛函理论计算表明,ZnSxSe1-x合金 纳米棒独特的1(ZnS)+1(ZnSe)是其高催化性能的关键所在,即一定比例的合金结构能够改善其能带结构,并显著降低析氧反应过程中氧分子结合与脱嵌的自由能,从而使其光催化性能大幅提高。该工作不仅展现了锌硫族量子点的可控合成新技术及其在催化反应中的出色性能,同时还阐明了其独特的合金结构所具有的1+1>2的高效催化机理,为进一步设计廉价、绿色环保的光解水催化剂提供了新的思路。相关工作以“Spontaneous Formation of Noble- and Heavy-Metal-Free Alloyed Semiconductor Quantum Rods for Efficient Photocatalysis”为题,发表在Advanced Materials, 2018, 30, 1803351 (DOI: 10.1002/adma.201803351)上,第一作者为博士生Dechao Chen、 博士生Huayuang Zhang和Yunguo Li博士。