Op koper gebaseerde quaternaire sulfide nanomaterialen, speciaal voor Cu-Zn-In-S (CZIS) en Cu-Zn-Ga-S (CZGS), die uit niet-toxische elementen bestaan, zijn vanwege hun afstembare bandgap een aantrekkelijke kandidaat voor fotokatalytische waterstofproductie op zonne-energie, goede chemische en thermische stabiliteit, milieuvriendelijkheid, en gemakkelijke synthese uit overvloedige en goedkope uitgangsmaterialen. Helaas, de lage elektrische geleidbaarheid, snelle recombinatiesnelheid van door foto gegenereerde elektronen en gaten, evenals de minder toegankelijke oppervlakte-actieve plaatsen, hebben hun fotokatalytische prestaties sterk beperkt.

Onlangs, de onderzoeksgroep onder leiding van Prof. YU Shuhong van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China heeft een eenvoudige colloïdale methode ontworpen om enkelkristallijne wurtziet CZIS nanobelts te synthetiseren, evenals de enkele kristallijne wurtziet CZGS-nanobelts, geholpen met oleylamine en 1-dodecaanthiol. Het onderzoeksartikel getiteld "Enkel kristallijn quaternair sulfide nanobelts voor efficiënte omzetting van zonne-naar-waterstof, " is gepubliceerd op Natuurcommunicatie op 15 oktober.

Onderzoekers gebruikten eerst de berekening van de eerste principedichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om de reactie te onderzoeken Gibbs-energie (ΔGH) van (0001), (1010), en (1011) facetten van wurtziet CZIS. Uit de berekeningsresultaten bleek dat het (0001) facet de kleinste bindingssterkte aan atomaire waterstof had. Volgens het Bell-Evans-Polanyi-principe, onderzoekers verwachtten dat het (0001) facet het meest gunstige oppervlak was voor fotokatalytische waterstofproductie op CZIS.

Onderzoekers ontwierpen vervolgens een eenvoudige colloïdale methode om enkelkristallijne wurtziet CZIS nanobelts (NB's) te synthetiseren die het (0001) facet blootleggen, evenals de enkelkristallijne wurtziet CZGS NB's met het blootgestelde (0001) facet geholpen met oleylamine en 1-dodecaanthiol. De voorbereide nanobelt-fotokatalysatoren vertonen uitstekende samenstellingsafhankelijke fotokatalytische prestaties, voor CZIS en CZGS nanobelts onder bestraling met zichtbaar licht (λ> 420 nm) zonder co-katalysator.

Dit werk toont het belang aan van oppervlakte-engineering van quaternaire sulfide-fotokatalysatoren om betere prestaties te bereiken. Deze fotokatalysatorontwerpmethode kan worden gebruikt voor andere halfgeleidermateriaalsystemen, waardoor nieuwe fotokatalysatoren mogelijk worden die de goedkope elementen gebruiken om speciale reacties efficiënt te katalyseren.