NUS-wetenschappers hebben een methode ontwikkeld voor het controleerbaar introduceren van twee verschillende soorten zwavelvacatures in zirkoniumtrisulfide (ZrS ₃ ) veranderen in een efficiënte fotokatalysator voor waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ) generatie en benzylamine-oxidatie.

De introductie van defecten kan onverwachte veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van materialen veroorzaken. Als resultaat, defect engineering is een veelzijdig hulpmiddel geweest voor het ontwikkelen van efficiëntere fotokatalysatoren in chemische reacties. In fotokatalytische toepassingen, de introductie van defecten kan een aanzienlijke impact hebben op de optische absorptie, dynamiek van ladingsdragers, en oppervlaktekatalysekinetiek van de materialen. Een beter begrip van de structuur-activiteitsrelaties veroorzaakt door de introductie van deze defecten kan resulteren in de ontwikkeling van efficiëntere fotokatalytische materialen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Chen Wei van beide departementen Natuurkunde en Scheikunde, National University of Singapore heeft een methode ontwikkeld voor het controleerbaar introduceren van twee verschillende soorten defecten, de disulfide-anionen (S ₂ ^2- ) en het sulfide-ion (S ^2- ) vacatures in ZrS ₃ nanobelts (Figuur (a) tot (f)). De ZrS ₃ nanobelts zijn lange eendimensionale nanostructuren die eruitzien als linten. De onderzoekers ontdekten dat de S ₂ ^2- en S ^2- vacatures kunnen via twee verschillende methoden in het nanobelt-materiaal worden geïntroduceerd (Figuur (g) en (h)). voor S ₂ ^2- vacatures, dit omvat het uitgloeien van de ZrS ₃ nanobelt bij 700 onder vacuümomstandigheden. voor S ^2- vacatures, een op lithium gebaseerde hydrothermische methode wordt gebruikt. Door de gloeitijd te variëren (10, 15, en 20 min) en hoeveelheid lithium aanwezig, defect ontworpen ZrS ₃ materiaal met variërende hoeveelheid S ₂ ^2- vacatures en S ^2- vacatures kunnen worden verkregen.

De onderzoekers ontdekten dat dit defect ZrS . veroorzaakte ₃ materiaal kan de fotokatalytische productie van H . verbeteren ₂ O ₂ gekoppeld aan de selectieve oxidatie van benzylamine tot benzonitril in water. Ze onderzochten systematisch de effecten van S ₂ ^2- en S ^2- vacatures op de ladingsdragerdynamiek en fotokatalytische prestaties. Uit hun onderzoeksresultaten blijkt dat de S ₂ ^2- leegstand kan de scheiding van fotogegenereerde ladingsdragers aanzienlijk vergemakkelijken. Afzonderlijk, de S ^2- vacatures bevorderen niet alleen de elektronengeleiding en gatenextractie in het fotokatalytische proces, maar ze verbeteren ook de kinetiek van de benzylamine-oxidatie. Deze twee verschillende soorten vacatures in het ZrS ₃ materiaal werken samen om de prestaties van de fotokatalytische reactie te verbeteren. Onder verlichting door een gesimuleerd zonlicht, de ZrS ₃ materiaal produceert H ₂ O ₂ en benzonitril met een snelheid van 78,1 ± 1,5 en 32,0 ± 1,2 mol h ^-1 respectievelijk.

Prof Chen zei:"Onze onderzoeksresultaten openen een nieuwe route voor defect-engineering en beloven een potentiële strategie voor de studie van structuur-activiteitsrelaties voor het ontwerp en de ontwikkeling van efficiëntere fotokatalysatoren."