En raison de leurs structures de coque creuses perméables uniques avec des noyaux internes mobiles, les nanocristaux à coque jaune conviennent à une grande variété d’applications. Des nanocristaux à coque jaune constitués d’un noyau en or avec diverses coques semi-conductrices ont été développés par des chercheurs de Tokyo Tech, à l’aide d’un nouveau processus séquentiel d’échange d’ions. Ces nanocristaux métal-semi-conducteur à coquille jaune peuvent servir de photocatalyseurs très efficaces pour de nombreuses applications.
Les nanocristaux à coque jaune sont des matériaux uniques dotés de propriétés structurelles fascinantes, telles qu’une coque perméable, un espace vide intérieur et un jaune mobile. Ces nanocristaux conviennent à une variété d’applications, selon le choix des matériaux utilisés pour leur fabrication.
Par exemple, si la surface interne de leurs coques est réfléchissante, les nanocristaux à coque jaune peuvent constituer un dispositif photovoltaïque fiable. Un noyau mobile peut agir comme un agitateur, capable de mélanger des solutions contenues dans la coque. Les surfaces intérieure et extérieure de la coque fournissent de nombreux sites actifs pour les réactions, et les propriétés fascinantes de la structure de la coque jaune (résultat des interactions électroniques et du transfert de charge entre les surfaces de la structure) rendent ces nanocristaux idéaux pour les applications de photocatalyse. Naturellement, les nanocristaux à coquille jaune ont attiré l’attention des chercheurs du monde entier.
Maintenant, dans une étude collaborative publiée dans Nanomatériaux appliqués par ACS, qui a également été sélectionné comme ACS Editors’ Choice, une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur associé Tso-Fu Mark Chang et le professeur adjoint Chun-Yi Chen au Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) et le professeur Yung-Jung Hsu au National L’Université Yang Ming Chiao Tung de Taiwan a développé plusieurs structures jaune-coque contenant un jaune d’or métallique (Au) avec diverses coques semi-conductrices. De telles structures ont gagné en popularité dans le monde entier en raison de leurs propriétés fascinantes, en raison de leurs noyaux Au.
« Les nanocristaux à coque jaune composés d’un jaune métallique et de coques semi-conductrices sont particulièrement intéressants car ils peuvent être adaptés à des utilisations liées au transport de masse, par exemple la photocatalyse », explique le professeur Chen.
Pour fabriquer les nanocristaux, les chercheurs ont utilisé un processus séquentiel d’échange d’ions. La procédure implique une sulfuration délicate sur un modèle de nanocristaux cœur-coquille Au@Cu2O (où Au contribue au cœur et Cu2O à la formation de la coque), suivie d’une réaction d’échange de cations cinétiquement contrôlée qui permet la conversion de la composition de la coque (c’est-à-dire Cu2O ) en divers sulfures métalliques, qui sont des semi-conducteurs. Quatre échantillons représentatifs de nanocristaux jaune-shell, y compris Au @ Cu7S4, Au @ CdS, Au @ ZnS et Au @ Ni3S4, ont été synthétisés pour enquête de cette manière (comme le montre la figure 1).
Les performances de ces structures jaune-coquille en tant que photocatalyseurs ont été évaluées à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et de la spectroscopie de photoluminescence (PL) en régime permanent.
En utilisant XPS, les chercheurs ont découvert que les noyaux métalliques et les coques semi-conductrices des nanocristaux avaient des interactions électroniques favorables aux applications de photocatalyse. La spectroscopie PL résolue en temps a révélé que les nanostructures avaient une intensité PL élevée, indiquant une activité photocatalytique élevée, ce qui implique qu’elles étaient hautement capables d’absorber la lumière et de générer des porteurs de charge électron-trou (comme le montre la figure 2).
« Dans un scénario réel, les réactions facilitées par les électrons et les trous photoexcités séparés jouent un rôle dans la purification de l’environnement, en produisant des espèces réactives de l’oxygène », explique le professeur Chen, décrivant un scénario dans lequel leurs nouveaux photocatalyseurs à coque jaune pourraient être utilisés. . Ces électrons et trous photoexcités peuvent faciliter une multitude de réactions, rendant les nanocristaux à coquille jaune applicables dans de nombreux domaines tels que la purification de l’environnement, la production d’hydrogène et la réduction du dioxyde de carbone.
Jhen-Yang Wu et al, Interactions électroniques et dynamique de transfert de charge pour une série de nanocristaux jaune-coquille : implications pour la photocatalyse, Nanomatériaux appliqués par ACS (2022). DOI : 10.1021/acsanm.2c01529