Nanomateriali di solfuro quaternario a base di rame, specialmente per Cu-Zn-In-S (CZIS) e Cu-Zn-Ga-S (CZGS), che consistono di elementi non tossici sono candidati attraenti per la produzione di idrogeno fotocatalitico solare a causa del loro bandgap sintonizzabile, buona stabilità chimica e termica, benignità ambientale, e facile sintesi da materiali di partenza abbondanti e poco costosi. Sfortunatamente, la bassa conducibilità elettrica, il rapido tasso di ricombinazione di elettroni e lacune fotogenerati, nonché i siti tensioattivi meno accessibili, hanno notevolmente limitato le loro prestazioni fotocatalitiche.

Recentemente, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. YU Shuhong presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha progettato un semplice metodo colloidale per sintetizzare nanocinture CZIS di wurtzite monocristallina, così come i nanobelts CZGS di wurtzite monocristallino assistiti con oleilamina e 1-dodecantiolo. L'articolo di ricerca intitolato "Nanobelts di solfuro quaternario monocristallino per un'efficiente conversione da solare a idrogeno, " è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura il 15 ottobre.

I ricercatori hanno utilizzato per la prima volta il calcolo della teoria del funzionale della densità del primo principio (DFT) per esplorare l'esplorazione dell'energia di Gibbs di reazione (ΔGH) di (0001), (1010), e (1011) sfaccettature della wurtzite CZIS. I risultati del calcolo hanno mostrato che la sfaccettatura (0001) aveva la forza di legame più piccola con l'idrogeno atomico. Seguendo il principio di Bell-Evans-Polanyi, i ricercatori si aspettavano che l'aspetto (0001) fosse la superficie più favorevole per la produzione di idrogeno fotocatalitico su CZIS.

I ricercatori hanno quindi progettato un semplice metodo colloidale per sintetizzare nanocinture CZIS (NBs) di wurtzite monocristallina che espongono la sfaccettatura (0001), così come le wurtzite CZGS NBs monocristalline con la sfaccettatura esposta (0001) assistita con oleilamina e 1-dodecantiolo. I fotocatalizzatori nanobelt così preparati mostrano eccellenti prestazioni fotocatalitiche dipendenti dalla composizione, per nanocinture CZIS e CZGS sotto irraggiamento di luce visibile (λ> 420 nm) senza co-catalizzatore.

Questo lavoro mostra l'importanza dell'ingegneria di superficie del fotocatalizzatore di solfuro quaternario per ottenere prestazioni migliori. Questo metodo di progettazione del fotocatalizzatore può essere sfruttato per altri sistemi di materiali semiconduttori, consentendo così nuovi fotocatalizzatori che utilizzano gli elementi a basso costo per catalizzare in modo efficiente reazioni speciali.