中國(guó)科大研制出具有太陽(yáng)光全譜吸收特征和高效電荷分離能力的三元硫化物納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)

　　太陽(yáng)輻射能量是目前世界上資源最為豐富的清潔和可持續(xù)能源。通過(guò)半導(dǎo)體硫化物納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有望高效將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為其他能量（如化學(xué)能、電能和熱能）。硫化物異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)能夠集成不同材料組分的優(yōu)勢(shì)，而且常?？梢垣@得優(yōu)于單一組分的協(xié)同效應(yīng)。如何設(shè)計(jì)合理的合成方法以制備新穎獨(dú)特的硫化物異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，并且精確調(diào)控材料的組分、分布和形貌，仍然是目前尚待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏課題組與江俊課題組合作，在一維硫化物異質(zhì)納米棒的設(shè)計(jì)合成及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面取得了新進(jìn)展。高效利用太陽(yáng)能需要半導(dǎo)體材料在光轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以同時(shí)吸收太陽(yáng)輻射的不同光譜范圍并且能有效地分離光激發(fā)電子和空穴。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員基于膠體化學(xué)轉(zhuǎn)換方法成功制備了一種獨(dú)特的三元[ZnS-CdS-Cu2-xS]-ZnS-硫化物異質(zhì)納米棒，即一個(gè)ZnS納米棒上鑲嵌多個(gè)CdS-Cu2-xS復(fù)合納米節(jié)點(diǎn)鞘。所制備的三元硫化物異質(zhì)納米棒可有效吸收太陽(yáng)光的紫外、可見和近紅外區(qū)域。在三元體系中選擇性復(fù)合CdS-Cu2-xS，可以構(gòu)筑PN結(jié)從而導(dǎo)致CdS-Cu2-xS形成type-II異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，使得三元體系中電荷載流子分別從ZnS和Cu2-xS的導(dǎo)帶流向CdS的導(dǎo)帶位置，而空穴會(huì)集中在Cu2-xS的價(jià)帶，實(shí)現(xiàn)了電子和空穴的空間分離。太陽(yáng)能吸收的增強(qiáng)和載流子的有效分離，顯著提升了這種新穎的三元硫化異質(zhì)納米棒在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的性能。

　　這種無(wú)貴金屬參與的硫化物異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，為傳統(tǒng)半導(dǎo)體的光電應(yīng)用提供了新的材料設(shè)計(jì)思路。該研究成果近期以VIP Paper發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. -Int. Ed. 2016, 55(22), 6396-6400)，并被選為Front Cover。相關(guān)工作的共同第一作者為博士后莊濤濤、博士生劉研和碩士生李毅。論文發(fā)表后受到了學(xué)術(shù)媒體的廣泛關(guān)注。

　　此前，研究人員還通過(guò)連續(xù)化學(xué)轉(zhuǎn)化策略，成功構(gòu)筑了一種獨(dú)特的一維膠體三元多節(jié)點(diǎn)鞘硫化物-(硫化物/金屬)異質(zhì)納米棒，其中金屬納米顆粒選擇性修飾在分段節(jié)點(diǎn)鞘上，并以此實(shí)現(xiàn)了從type-I到type-II的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。光催化產(chǎn)氫效率的提高，說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的獨(dú)特三元結(jié)構(gòu)-[ZnS-(CdS/metal)]-ZnS-[ZnS-(CdS/metal)]-ZnS-在電荷分離和電子傳輸方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。其中電子從一種半導(dǎo)體傳輸?shù)絻煞N互不接觸的材料，從而形成兩個(gè)富電子活性中心。該設(shè)計(jì)策略為利用適當(dāng)組分進(jìn)行能帶工程調(diào)控與進(jìn)一步增強(qiáng)其協(xié)同功能提供了新的視角，為合理設(shè)計(jì)光電功能化的納米體系提供新的思路(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54(39), 11495-11500. Hot Paper. Inside Cover)。

　　該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金等項(xiàng)目的支持。