La figura (a-f) mostra il processo schematico della trasformazione del trisolfuro di zirconio monoclino, ZrS3 (ICCD PDF n. 30-1498) in solfuro di zirconio esagonale, ZrS2 (ICCD PDF n. 11-0679) dalle viste [010] (a-c) e [001] (d-f). Sotto trattamento termico in condizioni di vuoto, ZrS3 (a, d) rilascia ioni zolfo per formare una struttura cristallina distorta di ZrS2 (b, e). La struttura cristallina distorta con le vacanze di zolfo subisce quindi un rilassamento strutturale regolando la lunghezza e l'angolo dei suoi legami (c, F). La figura (geh) mostra i diversi tipi di offerte di zolfo. Immagini di (g) ZrS3 con posti vacanti S22 e (h) ZrS3 con posti vacanti S22 e S2 misurati da un microscopio elettronico a trasmissione con correzione dell'aberrazione sferica ( TEM). Riquadro:il reticolo cristallino di ZrS3 lungo l'orientamento [001]. I cerchi rosso e giallo rappresentano i posti vacanti S22 e S2, rispettivamente. Credito: Comunicazioni sulla natura
Gli scienziati del NUS hanno sviluppato un metodo per l'introduzione controllabile di due diversi tipi di vacanze di zolfo nel trisolfuro di zirconio (ZrS 3 ) trasformandolo in un efficiente fotocatalizzatore per il perossido di idrogeno (H 2 oh 2 ) generazione e ossidazione della benzilammina.
L'introduzione di difetti può causare cambiamenti imprevisti nelle proprietà fisiche e chimiche dei materiali. Di conseguenza, l'ingegneria dei difetti è stato uno strumento versatile per lo sviluppo di fotocatalizzatori più efficienti nelle reazioni chimiche. Nelle applicazioni fotocatalitiche, l'introduzione di difetti può avere un impatto significativo sull'assorbimento ottico, dinamica dei portatori di carica, e cinetica di catalisi superficiale dei materiali. Una migliore comprensione delle relazioni struttura-attività provocate dall'introduzione di questi difetti può portare allo sviluppo di materiali fotocatalitici più efficienti.
Un gruppo di ricerca guidato dal Prof Chen Wei di entrambi i Dipartimenti di Fisica e Chimica, La National University of Singapore ha sviluppato un metodo per l'introduzione controllabile di due diversi tipi di difetti, gli anioni disolfuro (S 2 2- ) e lo ione solfuro (S 2- ) posti vacanti in ZrS 3 nanocinture (figure da (a) a (f)). Lo ZrS 3 le nanocinture sono lunghe nanostrutture unidimensionali che sembrano nastri. I ricercatori hanno scoperto che il S 2 2- e S 2- i posti vacanti possono essere introdotti nel materiale nanobelt attraverso due diversi metodi (Figura (g) e (h)). Per S 2 2- posti vacanti, questo comporta la ricottura dello ZrS 3 nanobelt a 700℃ in condizioni di vuoto. Per S 2- posti vacanti, viene utilizzato un metodo idrotermale a base di litio. Variando il tempo di ricottura (10, 15, e 20 min) e quantità di litio presente, difetto ingegnerizzato ZrS 3 materiale con quantità variabile di S 2 2- posti vacanti e S 2- si possono ottenere posti vacanti.
I ricercatori hanno scoperto che questo difetto ha progettato ZrS 3 materiale può migliorare la produzione fotocatalitica di H 2 oh 2 accoppiato con l'ossidazione selettiva della benzilammina a benzonitrile in acqua. Hanno studiato sistematicamente gli effetti di S 2 2- e S 2- posti vacanti sulla dinamica dei portatori di carica e sulle prestazioni fotocatalitiche. I risultati della loro ricerca mostrano che il S 2 2- posti vacanti possono facilitare in modo significativo la separazione dei portatori di carica fotogenerati. Separatamente, il S 2- i posti vacanti non solo promuovono la conduzione degli elettroni e l'estrazione di lacune nel processo fotocatalitico, ma migliorano anche la cinetica dell'ossidazione della benzilammina. Questi due diversi tipi di posti vacanti nella ZrS 3 materiale lavorano insieme per migliorare le prestazioni della reazione fotocatalitica. Sotto l'illuminazione di una luce solare simulata, lo ZrS 3 il materiale produce H 2 oh 2 e benzonitrile a una velocità di 78,1 ± 1,5 e 32,0 ± 1,2 μmol h -1 rispettivamente.
Il professor Chen ha detto, "I risultati della nostra ricerca aprono una nuova strada per l'ingegneria dei difetti e promettono una potenziale strategia per lo studio delle relazioni struttura-attività per la progettazione e lo sviluppo di fotocatalizzatori più efficienti".
