复旦大学李伟和赵东元团队通过循序化学合成核壳结构硫化物可见光光催化剂

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近日，复旦大学化学系李伟研究员和赵东元教授研究团队报道了一种简单普适的循序化学方法，用于在水相中合成高度均匀的金属硫化物核壳结构。这种方法制备的金属硫化物核壳结构化学成分可调且表面清洁不含有大量的有机溶剂。为构筑晶格失配度较大的金属硫化物核壳结构提供了新方法。相关研究论文在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3287-3293）。赵东元教授课题组的博士生张兴淼为论文第一作者。

由于核壳结构可将不同的功能材料集成在一个体系被多种应用领域广泛使用。此外，核和壳组分之间的相互作用不仅可以改善材料的物理和化学性质，提供有效界面，甚至还会产生新的协同性质。迄今为止，合成金属硫化物核壳结构的方法已被研究者们广泛报道，包括单体热循环偶联法、热注入方法、连续的离子层粘附反应和胶体原子层沉积等。然而，这些方法主要依赖于材料的外延生长过程。外延生长过程的发生对内核与外壳间的晶格匹配具有较高的要求。此外，在合成过程中往往涉及到大量有机溶剂，使得通过这些方法制备的核壳结构材料表面覆盖了大量的有机溶剂而不适合用于光催化应用。

针对以上问题，赵东元教授研究团队利用金属硫化物之间的溶度积常数（Ksp）差异，采用循序化学方法指导金属硫化物依次沉淀以形成均匀的核壳结构。循序生长的金属离子掺杂过度层在形成核壳结构的过程中起到了非常重要的作用，其缓解了两种金属硫化物之间的晶格应力，使晶格失配度较大的两种金属硫化物形成核壳结构成为可能。基于循序化学方法赵东元教授课题组成功合成了多种金属硫化物核壳结构（例如：CdS@CoSx, CdS@MnSx, CdS@NiSx, CdS@ZnSx, CuS@CdS 和更复杂的 CdS@ZnSx@CoSx）。作为概念验证，所制备的CdS@CoSx核壳结构用于可见光光催化产氢应用，其表现出较高的光催化产氢活性，产氢速率达3.92 mmol h-1，在单波长420 nm光照下表观量子效率达到67.3%。该工作得到了复旦大学化学系、复旦大学先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重大研究计划项目、上海市启明星计划、上海市科学技术委员会重点基础研究项目的大力支持。