中大新聞網(wǎng)訊（通訊員羅惠霞）根據(jù)已有的研究，設(shè)計(jì)半導(dǎo)體納米材料的雙殼中空結(jié)構(gòu)是提高光利用率、調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的空間相互作用、加速界面接觸、提供更多催化反應(yīng)位點(diǎn)和促進(jìn)有效載流子分離和轉(zhuǎn)移的最有效策略之一。受強(qiáng)界面電場(chǎng)的啟發(fā)，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院羅惠霞教授課題組提出了S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂“雙殼納米盒”催化劑的設(shè)計(jì)，將2H-MoTe₂涂覆在S_v-In₂S₃單殼納米盒上，形成富含S-空位的Mo?S橋鍵結(jié)構(gòu)。在強(qiáng)大的內(nèi)置電場(chǎng)(IEF)和Mo?S橋鍵的作用下，“S”-型電荷分離得到顯著的提高，在380 nm處，內(nèi)量子效率可達(dá)94.01%。

圖1. Sv-In2S3@2H-MoTe2(5)中Mo?S鍵耦合調(diào)節(jié)CO2RR的示意圖

S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)的中空雙殼層異質(zhì)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了比表面積，縮短了電荷轉(zhuǎn)移距離，增強(qiáng)了傳質(zhì)能力，提高了光吸收能力，因而具有很強(qiáng)的光催化CO₂RR活性。更重要的是，S-空穴能促進(jìn)CO₂的活化，降低形成*OCHO的能壘，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移到*OCHO上，從而促進(jìn)CO₂RR生成CO。最重要的是，豐富的界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成了Mo?S橋鍵位點(diǎn)，導(dǎo)致了界面上的電荷差。電荷差導(dǎo)致在界面上形成Mo的極化位點(diǎn)，從而抑制了相鄰中間產(chǎn)物的靜電排斥，促進(jìn)了CH₄的形成。這項(xiàng)工作可以通過(guò)光的利用、界面接觸和反應(yīng)位點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)用于大規(guī)模能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的優(yōu)秀光催化劑開(kāi)辟道路。

圖2. (a) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)的原子模型；(b) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)界面上CO₂RR過(guò)程中吸附原子結(jié)構(gòu)示意圖；(c) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)、S_v-In₂S₃和In₂S₃在1.23 V電壓下不同活性位點(diǎn)上CO₂RR的吉布斯能和(c)能量變化；(e) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)、(f) 2H-MoTe₂和(g) S_v-In₂S₃的態(tài)密度。

該成果日前以“Understanding Bridging Sites and Accelerating Quantum Efficiency for Photocatalytic CO₂ Reduction”為題，作為主編特邀稿件發(fā)表在Nano-Micro Letters上。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生王康旺為第一作者，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院羅惠霞教授和環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院嚴(yán)凱教授為共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了中國(guó)自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01221-3