利用半导体材料进行光催化分解水产氢被认为是解决当下能源和环境问题的有效方法之一。近年来，多元硫属铜基半导体纳米晶由于其具有较大的吸收系数、合适的光学带隙和毒性低等优点，成为近年来光催化制氢技术关注的热点之一。而铜基硫族半导体纳米晶在光催化制氢性能方面较其它半导体材料还有待进一步提高，因此对铜基硫族光催化剂进行合理设计显得尤为重要。

图1. 不同结构和组分的多元铜基硫族半导体纳米晶的光催化制氢性能示意图：(a) 通过引入不同元素合成合金及异质结构的多元铜基硫族纳米晶；(b)三元CuGaS2的维度调控；(c)四元L形Cu-Ga-Zn-S纳米晶。

北京交通大学唐爱伟教授课题组总结了最近两年在多元铜基硫族半导体纳米晶的可控合成及光催化产氢方面的研究进展，为铜基硫族光催化剂的合理设计提供了重要思路。首先，采用种子生长法在二元Cu1.94S体系中引入二价和三价金属阳离子，分别得到了具有合金和异质结构的铜基硫族纳米晶，研究发现其光催化产氢性能的明显差异是能级结构的不同造成的（图1(a)）；之后，他们重点研究了三元CuGaS2纳米晶的光催化制氢性能，他们通过控制合成条件对纳米晶的维度进行调控，从而改变其暴露晶面，进一步影响光催化制氢性能（图1(b)）；在三元一维CuGaS2纳米晶的基础之上，通过一锅法引入Zn离子制备出具有L形特殊形貌的四元Cu-Ga-Zn-S纳米晶，Zn元素的加入与L形特殊形貌的空间效应使光催化性能大大提高（图1(c)）。

本课题组近年来的研究内容从材料的可控制备到能级结构、晶面等方面对光催化性能的影响，形成了一个较为完整的体系，对铜基硫族纳米晶作为光催化剂的合理设计有重要的指导意义。

Rational design of multinary copper chalcogenide nanocrystals for photocatalytic hydrogen evolution

Hao Fu, Aiwei Tang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091706

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091706

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/9/091706?pageType=en