中國科大研制出具有太陽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。通過半導(dǎo)體硫化物納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，有望高效將太陽光能轉(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，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)鍵問題。

　　近日，中國科學(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)計合成及太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面取得了新進(jìn)展。高效利用太陽能需要半導(dǎo)體材料在光轉(zhuǎn)換過程中可以同時吸收太陽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ZnS納米棒上鑲嵌多個CdS-Cu2-xS復(fù)合納米節(jié)點鞘。所制備的三元硫化物異質(zhì)納米棒可有效吸收太陽光的紫外、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，而空穴會集中在Cu2-xS的價帶，實現(xiàn)了電子和空穴的空間分離。太陽能吸收的增強(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)納米棒在太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的性能。

　　這種無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)計思路。該研究成果近期以VIP Paper發(fā)表于《德國應(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)點鞘上，并以此實現(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，說明了所設(shè)計的獨(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。其中電子從一種半導(dǎo)體傳輸?shù)絻煞N互不接觸的材料，從而形成兩個富電子活性中心。該設(shè)計策略為利用適當(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)。

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