Small Structures:用于高效太阳能转换的多维度氧化钨材料

正如七巧板培养了孩子们童年的想象力、形状迥异的各类材料丰富了我们的物质生活,不同维度的纳米材料赋予了研究者们纳米建筑师的梦想。此外,受电子自由度的影响,纳米材料的维度极大地影响着它们的光学性质、电学性质以及能量/物质传输能力。因此,从纳米材料的维度入手进行研究,对于深刻揭示应用中的构效关系以及拓宽其应用范围具有重要意义。在过去的几十年里,科研工作者广泛探索了不同维度纳米材料的精确制备,构建了不同维度的半导体,包括零维量子点,一维纳米管/棒/线,二维纳米片和三维分层结构等,并详细研究了它们在太阳能转化过程的特点和优势。在此基础上,将不同维度的半导体进行组合所构建的混合维度异质结构也被广泛研究。这种策略不仅可以弥补单一维度结构存在的不足,还可以发挥特定维度之间的协同作用,在增强光的捕获能力,实现光生载流子的有效分离以及提升表面反应动力学等方面具有明显的效果。

近日,北京科技大学于然波教授团队以WO3材料为例,从构建多重维度以实现高效太阳能转化的角度进行了综述,全面介绍了不同维度的特点和构建多重混合维度在光能转化过程的优势和作用机理。在文章中,作者首先从单一维度的纳米结构入手,从电子自由度的角度介绍了材料的维度设计WO3光学和电学性质的影响,总结了不同维度的WO3材料在光的捕获、载流子传输和表面化学反应等过程中的独特优势和挑战;然后,作者系统总结了不同维度WO3材料的具体合成策略,包括添加结构导向剂的溶剂热合成,静电纺丝,自上而下的有效剥离和精确调控的模板法等,并对每种合成策略的优点和作用机理进行了详细的阐述。结合特定维度的特性,作者详细介绍了WO3纳米结构的性能提升策略,如元素掺杂,晶面工程和缺陷工程等。

维度是材料设计中微妙且关键的参数,如何通过构建混合维度异质结缓解不同维度材料的本征缺陷,尽可能地发挥材料的优点至关重要。作者详细总结了近年来人们在构建混合维度WO3异质结构以实现高效太阳能转化方面取得的进展,指出了构建混合维度WO3异质结构的优势和必要性。并按照不同维度的WO3材料参与构建的混合维度WO3异质结进行分类,详细阐述了每种混合维度异质结构在提升WO3材料光催化性能中的作用机理。以混合维度的WO3异质结构为例,作者希望对相关工作的总结可以激发研究者们对混合维度异质结构中的能量转移以及电荷转移的深层次思考,发掘表观性能增强的作用机理,为开发具有突破性宏观性能的高性能光能转化材料提供理论依据。

论文信息:

Multidimensional Tungsten Oxides for Efficient Solar Energy Conversion

Xing Zhang(张行), Yanze Wei*(魏延泽), Ranbo Yu*(于然波)

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100130

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100130