纳米人-王中林院士Small：具有定向载流子迁移的非对称Au-ZnO纳米棒阵列的增强型压电光电催化

王中林院士Small：具有定向载流子迁移的非对称Au-ZnO纳米棒阵列的增强型压电光电催化

痴迷文献痴迷文献 2020-04-11

由于有限的光利用和快速的载流子重组，当前的光催化半导体通常具有低催化性能。半导体与等离激元金属之间形成肖特基结可以加宽光吸收并促进光子生载流子的分离。

有鉴于此，为了进一步增强催化性能，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，国科大王中林院士，李琳琳研究员报道了合理设计了一种不对称的氧化金锌（Asy-Au-ZnO）纳米棒阵列，实现了压电催化和光催化的协同作用，以及空间取向的电子-空穴对分离，从而产生了大大提高了催化性能。

文章要点：

1）报道了在FTO基板上垂直对齐的Asy-Au-ZnO纳米棒阵列的制造过程。首先，通过典型的种子辅助水热法，在具有ZnO种子层的FTO衬底上生长垂直排列的ZnO纳米棒。然后，将光致抗蚀剂AZ5214E旋涂在ZnO纳米棒阵列表面上，以完全嵌入ZnO纳米棒。之后，进行氧等离子体蚀刻以优先蚀刻掉ZnO纳米棒顶部的光致抗蚀剂，并暴露出纳米棒尖端，以在该部分内选择性地生长Au NP。暴露的ZnO纳米棒的长度可以通过蚀刻能力和时间来控制。随后，通过光还原法在ZnO纳米棒的尖端上生长Au NP，并用丙酮和乙醇去除残留的光刻胶。作为对照，Sy-Au-ZnO是通过在裸露的ZnO纳米棒上光还原Au NPs合成的，因此Au NPs在ZnO纳米棒的不同部位均匀生长。最终，获得的具有一维纳米结构的Au-ZnO纳米棒阵列具有较大的比表面积，并且将有效地促进电荷载流子的传输并增强光吸收。特别是，Asy-Au-ZnO纳米棒阵列将进一步促进光子生载子的空间定向分离。

2）ZnO纳米棒阵列的俯视图和横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示，ZnO纳米棒在FTO基板上均匀且垂直对齐。纳米棒的直径约为120 nm，长度约为2 µm。在旋涂了光刻胶后，ZnO纳米棒被完全涂覆在光刻胶中。经过光还原过程后，金纳米颗粒成功沉积在不含光致抗蚀剂的ZnO纳米棒的尖端上。TEM图像和EDX映射清晰直观地显示出Au NPs（约10 nm）的不对称分布仅在尖端500 nm的ZnO纳米棒。HRTEM图像显示，Asy-Au-ZnO纳米棒在[0001]生长方向上具有良好分辨的条纹间距（0.52 nm），对应ZnO的（002）平面六角纤锌矿结构。值得注意的是无缝金纳米粒子和ZnO纳米棒之间接触可能促进LSPR电子从金纳米粒子转移到ZnO纳米棒。

3）除了贵金属/半导体肖特基结的常规特性外，合理设计的异质结构还具有其他一些优点：（1）压电ZnO在轻和机械应力作用下可以直接产生电荷载流子; （2）ZnO压电势能降低肖特基势垒，以提高热电子从Au纳米粒子向ZnO的注入效率；（3）独特的不对称纳米棒阵列结构可以实现光生载流子的空间定向分离和迁移。当同时施加超声波和全光谱光照射时，Asy-Au-ZnO在75分钟内达到染料降解的最高催化效率，为95％。