Small:从环境友好型纳米材料到绿色能源—基于Au-ZnSe异质结构纳米棒的光催化制氢

经济发展对化石能源日益增长的需求与其有限的储量之间的矛盾,是当今社会面临的一个重要挑战。随着煤炭、石油、天然气等传统化石能源的大量开采和日渐枯竭,开发和利用以太阳能为代表的可再生能源已经成为当今研究的热点。作为纳米材料中的重要成员,含镉(Cd)的II-VI族半导体纳米晶,如CdS、CdSe等,具有独特的光电化学性能,在光解水,发光二极管,光探测器等领域都具有广泛的应用前景。但是,Cd是重金属,含Cd的纳米材料具有很强的生物毒性和致癌性,这都限制了该类材料的广泛应用。因此,开发无Cd纳米材料,在清洁能源生产、光电器件制造、生物应用等方面都具有重要的意义。

近日,澳大利亚科廷大学分子与生命学院的Guohua Jia (夹国华)课题组与阿德莱德大学Shaobing Wang (王少彬)以及英国伦敦大学学院Yunguo Li (李云国)等课题组合作,设计并合成了新型无Cd的Au-ZnSe半导体纳米棒,并首次将其应用在光解水领域,取得了良好的产氢效果。ZnSe作为II-VI族半导体中的一员,具有宽带隙(2.7eV),能吸收短波长的太阳光,并且具有环保、无毒等优点,是替代含Cd纳米材料的可靠选择。Au-ZnSe异质结构中的ZnSe能吸收太阳光并能产生电子-空穴对,光辐射产生的电子可以快速转移到Au上,提高了电子-空穴分离的效率,减少了电子-空穴的复合几率,从而有效提高了光解水产氢的效率。实验结果表明,一端长有金的Au-ZnSe纳米棒具有最佳的产氢性能(~437.8 μmol/h/g )。高分辨透射电镜测试表明,Au-ZnSe纳米棒中立方相Au的(111)晶面与六方相ZnSe的(002)晶面之间的夹角是随机分布的,说明Au纳米晶在ZnSe纳米棒上的生长没有取向性,是一种非外延生长机制,DFT计算结果也与这一发现相吻合。

研究者相信,此项工作将为基于无镉一维纳米材料的光催化研究提供新的思路。此外,Au-ZnSe异质结构纳米棒具备的无毒、生物友好等优点,有望应用于生物体系内的氧化还原反应等研究。

相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201902231)上。