Nano Energy: Yolk-shell纳米结构作为太阳能产生氢气的光催化剂

资讯 2019-10-02 易泵网手机阅读

【研究背景】

自从空心钴硫化物纳米结构在2004年被道以来，yolk-shell或拨浪鼓型纳米结构受到了广泛的关注。因为这类纳米结构在光热疗法、药物/基因递送、多相催化和染料敏化太阳能电池等领域具有巨大应用价值。由于yolk-shell纳米结构中的核和壳材料之间具有空隙空间，所以氢、乙烯和水这类小分子能够通过可渗透壳自由地扩散到空隙空间中从而用作稳健的纳米反应器。虽然yolk-shell纳米结构存在这些潜在的优点，但是基于CdS的yolk-shell纳米结构光催化剂的开发仍然受到限制，且缺乏对结构参数对太阳能产氢的影响的深入理解。因此，设计、开发和评估具有精确可调空隙尺寸的Au-CdS yolk-shell光催化剂具有重要意义。同时，还有必要开发一种新方法来研究这些yolk-shell纳米结构的质量传递动力学，因为大多数半导体与Au NPs的SPR带具有重叠吸收，但是这种方法不适用于半导体壳材料。

【研究成果】

近日，台湾交通大学Yung-Jung Hsu教授和加州大学圣克鲁兹分校Jin Z. Zhang教授合作道了以Au-Cu₂O核-壳纳米结构作为生长模板，通过硫化形成Au-Cu₇S₄ yolk-shell纳米结构，而Au-Cu₇S₄通过阳离子交换转化为Au-CdS。通过改变试剂体积，方便且精确地控制空隙尺寸。制备的Au-CdS纳米结构表现出更快的氢气产生速率。同时，使用染料分子作为光学探针来模拟化学试剂通过CdS壳的传输，并道了一种新的质量传递测定方法和定量评估扩散动力学的方法。以题目为“Yolk shell nanostructures as an emerging photocatalyst paradigm for solar hydrogen generation”发表在著名期刊Nano Energy。

? 以Au-Cu2O核-壳纳米结构作为生长模板，通过硫化形成Au-Cu7S4 yolk-shell纳米结构，而Au-Cu7S4通过阳离子交换转化为Au-CdS。

? 通过超快TA光谱研究所得纳米结构的界面电荷动力学，并且使用FDTD模拟研究与EM场放大相关的等离子体特性。

? 空隙尺寸对光催化性能的影响是通过研究水分解产生的氢气来确定的，并且发现具有较大空隙空间的Au-CdS纳米结构表现出更快的氢气产生速率。

【图文解读】

图一、Au-CdS-4的结构分析

图二、瞬态吸收光谱

图三、两种yolk-shell结构的Au-CdS的FDTD模拟

FDTD模拟显示出对两种不同结构的模拟，在520nm入射光下的EM场的空间分布：（a）空隙空间中心的Au NPs核和（b）与CdS壳接触的Au NP核。对于每个模型，热点区域的EM场（用红色方块表示）作为入射波长的函数进行验证，如图右侧的光谱所示。两个模型都表现出一个突出的532nm的峰值，这是由于Au NP等离子体激元所产生的。