《纳微结构材料的自组装构筑及其能源转换和储存应用基础研究》

纳米结构材料在太阳能-化学能转化、光电转化及储能等方面扮演着重要角色。材料的性能通常由微结构、光学性质、导电、导热性质、化学稳定性等多种因素决定,单一成份或结构的材料很难同时满足这些要求。该项目通过化学控制合成及自组装技术,制备了具有多组份、微纳复合结构的半导体/金属或半导体/氧化物的有序结构纳米材料,实现了物化特性的精确调控,并用于太阳能光(电)解水制氢、二氧化碳光催化还原、及储能器件。研究成果为自组装构筑复合纳微结构材料及其在能量转化与储存等领域的研究提供了理论支持与新思路。主要的科学发现如下:

(1)发现了碲化锌幻数团簇的生成、衍变、自组装对纳米材料生长的调控作用,发展了半导体纳米材料的形貌、尺寸控制合成方法学。以碲化锌为模型材料,在动力学控制条件下得到了碲化锌的三种不同尺寸和结构的幻数团簇,发现了这些幻数团簇的形成机制、相互转化及自组装规律对ZnTe纳米材料的生长调控作用。研究成果为半导体纳米晶的精确控制合成提供了理论支持、对功能化纳米材料的发展具有积极的促进和推动作用。

(2)发展了形貌诱导及熵效应协同驱动的纳米晶自组装机理与非密堆积结构自组装体的构建方法。采用控制自组装法得到了Pt3Co纳米立方体“超级晶体”单晶,发现了三维超级晶体中存在罕见的钝角菱方结构,并且在“超级晶体”中纳米立方体同时保持位移上的长程有序和晶体的取向一致。这种“超级晶体”在构型熵和转动熵的协同作用下表现出反常的热诱导晶格收缩,并在一定的温度下可以实现“超级晶体”从三维绝缘体到一维导体的转变。这项研究从更深层次上认识了形貌诱导及熵效应的协同作用在晶体自组装中的控制过程,拓展了纳米自组装的结构多样性,为获得具有特定结构的自组装材料提供了新的思路。

(3)通过控制合成及原位组装构建了基于热电子转移机制的卤化银/银高活性光催化体系。利用反应介质与晶体表面的相互作用,控制制备了AgBr、AgI的六方纳米片、多面体、凹球形微纳米结构,并通过原位组装法制备了具有热电子转移效应的AgX/Ag复合结构材料,该材料在常温常压条件下,将CO2光催化还原产物甲醇与乙醇收率从微摩尔提升到了毫摩尔量级,大幅度提高了太阳能利用率及光催化效率。

(4)发展了MoTe2、MoS2/CdS、CoSe2/Ti等二维材料组装体的制备方法,并用于高效的光/电催化析氢及储能。通过生长调控及原位组装实现了MoTe2、MoS2/CdS、CoSe2/Ti等二维材料的自组装制备,并利用多级微纳结构来实现材料活性位点的选择性暴露及二维层间结构的调控,提高了电化学催化析氢的效率及超级电容储能性能。

该项目发表在J.Am.Chem.Soc.,Nano letter.,J.Mater.Chem.A等该领域内的重要国际学术期刊的8篇代表性论文,共被SCI他引321次,最高单篇他引119次。应邀为J.Mater.Chem.A撰写综述文章1篇。指导的研究生获得2014年度山东省优秀硕士学位论文。部分研究成果获2011年度青岛市第十届优秀自然科学论文奖一等奖,获得授权发明专利5项。第一完成人在山东省“泰山学者”终期评估中获得优秀。

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