La figura (a-f) muestra el proceso esquemático de transformación del trisulfuro de circonio monoclínico, ZrS3 (ICCD PDF no. 30-1498) en sulfuro de circonio hexagonal, ZrS2 (ICCD PDF nº 11-0679) de las vistas [010] (a-c) y [001] (d-f). Bajo tratamiento térmico en condiciones de vacío, ZrS3 (a, d) libera iones de azufre para formar una estructura cristalina distorsionada de ZrS2 (b, mi). La estructura cristalina distorsionada con las vacantes de azufre luego se somete a una relajación estructural ajustando la longitud y el ángulo de sus enlaces (c, F). La figura (gyh) muestra los diferentes tipos de vacantes de azufre. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) de (g) ZrS3 con vacantes S22- y (h) ZrS3 con vacantes S22- y S2- medidas desde un microscopio electrónico de transmisión con corrección de aberración esférica ( TEM). Recuadro:la red cristalina de ZrS3 a lo largo de la orientación [001]. Los círculos rojos y amarillos representan las vacantes S22 y S2, respectivamente. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza
Los científicos de NUS han desarrollado un método para la introducción controlable de dos tipos diferentes de vacantes de azufre en el trisulfuro de circonio (ZrS 3 ) convirtiéndolo en un fotocatalizador eficaz para el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) generación y oxidación de bencilamina.
La introducción de defectos puede provocar cambios inesperados en las propiedades físicas y químicas de los materiales. Como resultado, La ingeniería de defectos ha sido una herramienta versátil para desarrollar fotocatalizadores más eficientes en reacciones químicas. En aplicaciones fotocatalíticas, la introducción de defectos puede tener un impacto significativo en la absorción óptica, dinámica del portador de carga, y cinética de catálisis superficial de los materiales. Una mejor comprensión de las relaciones estructura-actividad provocadas por la introducción de estos defectos puede resultar en el desarrollo de materiales fotocatalíticos más eficientes.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Chen Wei de los Departamentos de Física y Química, La Universidad Nacional de Singapur ha desarrollado un método para la introducción controlable de dos tipos diferentes de defectos, los aniones disulfuro (S 2 2- ) y el ion sulfuro (S 2- ) vacantes en ZrS 3 nanocinturones (Figura (a) a (f)). El ZrS 3 Los nanocinturones son nanoestructuras unidimensionales largas que parecen cintas. Los investigadores encontraron que el S 2 2- y S 2- las vacantes se pueden introducir en el material de la nanobanda a través de dos métodos diferentes (Figura (g) y (h)). Para S 2 2- vacantes, esto implica recocer el ZrS 3 nanobelt a 700 ℃ en condiciones de vacío. Para S 2- vacantes, se utiliza un método hidrotermal a base de litio. Variando el tiempo de recocido (10, 15, y 20 minutos) y la cantidad de litio presente, ZrS de ingeniería defectuosa 3 material con cantidad variable de S 2 2- vacantes y S 2- se pueden obtener vacantes.
Los investigadores encontraron que este defecto diseñó ZrS 3 El material puede mejorar la producción fotocatalítica de H 2 O 2 junto con la oxidación selectiva de bencilamina a benzonitrilo en agua. Investigaron sistemáticamente los efectos de S 2 2- y S 2- vacantes en la dinámica del portador de carga y el rendimiento fotocatalítico. Los resultados de su investigación muestran que el S 2 2- las vacantes pueden facilitar significativamente la separación de los portadores de carga fotogenerados. Por separado, la S 2- las vacantes no solo promueven la conducción de electrones y la extracción de huecos en el proceso fotocatalítico, sino que también mejoran la cinética de la oxidación de bencilamina. Estos dos tipos diferentes de vacantes en la ZrS 3 El material trabaja en conjunto para mejorar el rendimiento de la reacción fotocatalítica. Bajo la iluminación de una luz solar simulada, el ZrS 3 el material produce H 2 O 2 y benzonitrilo a una tasa de 78,1 ± 1,5 y 32,0 ± 1,2 μmol h -1 respectivamente.
El profesor Chen dijo:"Los resultados de nuestra investigación abren una nueva ruta para la ingeniería de defectos y prometen una estrategia potencial para el estudio de las relaciones estructura-actividad para el diseño y desarrollo de fotocatalizadores más eficientes".
