本技术介绍了一种利用小分子巯基配体在金纳米棒表面控制生长氧化亚铜的技术,形成多种形态的金棒/氧化亚铜Janus结构纳米颗粒,如热狗、哑铃和锤子形状。这些结构具有高均匀度和可重复性,氧化亚铜尺寸与金棒长径比可调节。Janus结构的金属与半导体单元物理分离,保证了两种材料的表面暴露,兼具核-壳结构优势且无电荷积累问题。该纳米材料可直接用于光电流测试,展现出比核-壳结构更高的电荷分离效率。金棒的表面等离子共振吸收作用增强了可见光吸收,使得金棒/氧化亚铜Janus结构的光催化性能优于金球/氧化亚铜Janus结构。
背景技术
长期以来,化石能源在生产、使用过程中产生的生态环境污染、温室气体造成的极端气候灾害,已经严重到人类的生存与可持续发展。太阳能因为有清洁、取之不竭的特点成为化石能源的最佳替代能源,而半导体光催化材料是利用太阳能的有效途径。
基于单一半导体材料的空穴迁移率差和高复合率的缺陷,将半导体与等离子体金属纳米粒子结合(如金、银和铜)是促进电荷分离和界面电荷转移的有效途径,从而延长参与光催化的载流子寿命。此外,等离子体金属可以进一步扩大催化剂的光吸收,这是由于表面等离子体共振效应,对提高光催化性能具有重要意义。金属/半导体的复合光催化剂纳米材料的制备与性能研究,是光催化材料的重要方向。而作为P型半导体的典型代表氧化亚铜(Cu2O),具有晶态好、对可见光吸收好、毒性低、成本低的优点,因此金/氧化亚铜常被当成一个模型材料而广泛研究。据申请人了解,从目前氧化亚铜的研究进展来看,主要是通过两种方式来实现金与氧化亚铜的复合。
第一种方式是将金颗粒沉积在氧化亚铜的表面(ACS Appl.Mater.Interfaces2014,6,14,10958-10962;Nanoscale Res Lett,2019,14,63),其作为可见光的吸收体与电子转移的加速器,但结构中存在的大量界面缺陷,总是充当光生电子和空穴的复合位点,从而很大程度上造成了光催化活性的降低。
第二种方式是构筑金颗粒与氧化亚铜的核-壳结构(Nanoscale 2016,8,965-972;J.Am.Chem.Soc.2011,133,1052-1057),这是目前最流行的杂化构型,其中金与氧化亚铜之间的界面电荷转移可以得到一定程度的促进。然而结果表明,核-壳型光催化剂都表现出光激发电荷的过度复合,通常是由于以下原因:1)金属/半导体杂化物在光催化中具有重要意义,是因为它们的催化活性可以通过肖特基势垒的形成而显著提高。然而在核-壳结构中,它的优点受到了很大的限制,由于氧化亚铜壳层对金核的完全包覆只能利用半导体外壳表面的电荷进行光催化反应,相反电荷在金属核中积累。因此氧化亚铜表面反应与金核的电荷积累都不可能永远持续下去,当达到极限时,光电流将迅速减小;2)从内核到表面催化活性中心的长程电子迁移过程中会有很大的电阻,并容易与空穴重新结合,从而导致还原反应能力大大降低。因此核-壳的杂化结构很大程度上限制了金/氧化亚铜光催化性能的发挥。因为金与氧化亚铜具有良好的晶格匹配度和材料相容性,所以只能够形成各种形貌的核-壳结构,但目前还没有强有力的控制手段来突破这个合成壁垒。
实现思路