Figur (a-f) visar den schematiska processen för omvandlingen av monoklin zirkoniumtrisulfid, ZrS3 (ICCD PDF nr 30-1498) till hexagonal zirkoniumsulfid, ZrS2 (ICCD PDF nr. 11-0679) från [010] (a-c) och [001] (d-f) vyerna. Under värmebehandling i vakuumförhållanden, ZrS3 (a, d) frigör svaveljoner för att bilda en förvrängd kristallstruktur av ZrS2 (b, e). Den förvrängda kristallstrukturen med svavelvakanserna genomgår sedan strukturell avslappning genom att justera längden och vinkeln på dess bindningar (c, f). Figur (g och h) visar de olika typerna av svavelvakanser. Högvinklade ringformiga mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopbilder (HAADF-STEM) av (g) ZrS3 med S22-vakanser och (h) ZrS3 med både S22- och S2-vakanser uppmätt från ett sfäriskt aberrationskorrigerat transmissionselektronmikroskop ( TEM). Insättning:kristallgittret för ZrS3 längs [001]-orienteringen. De röda och gula cirklarna representerar S22- och S2- lediga platser, respektive. Kreditera: Naturkommunikation
NUS-forskare har utvecklat en metod för kontrollerbar introduktion av två olika typer av svavelvakanser i zirkoniumtrisulfid (ZrS) 3 ) gör den till en effektiv fotokatalysator för väteperoxid (H 2 O 2 ) generering och bensylaminoxidation.
Införandet av defekter kan orsaka oväntade förändringar i materialens fysikaliska och kemiska egenskaper. Som ett resultat, defektteknik har varit ett mångsidigt verktyg för att utveckla effektivare fotokatalysatorer i kemiska reaktioner. I fotokatalytiska tillämpningar, införandet av defekter kan ha en betydande inverkan på den optiska absorptionen, laddningsbärardynamik, och ytkatalyskinetik för materialen. Bättre förståelse för struktur-aktivitetsförhållandena som uppstår genom införandet av dessa defekter kan resultera i utvecklingen av effektivare fotokatalytiska material.
En forskargrupp ledd av professor Chen Wei från båda institutionerna för fysik och kemi, National University of Singapore har utvecklat en metod för kontrollerbar introduktion av två olika typer av defekter, disulfidanjonerna (S 2 2- ) och sulfidjonen (S 2- ) lediga platser till ZrS 3 nanobälten (figur (a) till (f)). ZrS 3 nanobälten är långa endimensionella nanostrukturer som ser ut som band. Forskarna fann att S 2 2- och S 2- vakanser kan införas i nanobältesmaterialet genom två olika metoder (figur (g) och (h)). För S 2 2- lediga platser, detta involverar glödgning av ZrS 3 nanobälte vid 700 ℃ under vakuumförhållanden. För S 2- lediga platser, en litiumbaserad hydrotermisk metod används. Genom att variera glödgningstiden (10, 15, och 20 minuter) och mängden litium närvarande, defekt konstruerad ZrS 3 material med varierande mängd S 2 2- lediga platser och S 2- lediga platser kan erhållas.
Forskarna fann att denna defekt konstruerade ZrS 3 material kan förbättra den fotokatalytiska produktionen av H 2 O 2 kopplat med selektiv oxidation av bensylamin till bensonitril i vatten. De undersökte systematiskt effekterna av S 2 2- och S 2- vakanser på laddningsbärarens dynamik och fotokatalytiska prestanda. Deras forskningsresultat visar att S 2 2- vakanser kan avsevärt underlätta separationen av fotogenererade laddningsbärare. Separat, S 2- vakanser främjar inte bara elektronledning och hålextraktion i den fotokatalytiska processen utan de förbättrar också kinetiken för bensylaminoxidationen. Dessa två olika typer av lediga tjänster i ZrS 3 material samverkar för att förbättra prestandan för den fotokatalytiska reaktionen. Under belysning av ett simulerat solljus, ZrS 3 material producerar H 2 O 2 och bensonitril med en hastighet av 78,1 ± 1,5 och 32,0 ± 1,2 μmol h -1 respektive.
Prof Chen sa, "Våra forskningsresultat öppnar upp en ny väg för defektteknik och lovar en potentiell strategi för studier av struktur-aktivitetsrelationer för design och utveckling av mer effektiva fotokatalysatorer."
