【摘要】 本文研究水热法合成Al₂SSe纳米棒催化剂，表征其结构与2.35eV窄带隙特性，展示其在酸/碱性介质中优异的HER/OER电催化性能（低过电位、高电流密度）及可见光下降解刚果红染料的光催化水处理能力。

背景：能源需求与清洁能源挑战

全球经济发展带动能源消耗激增，但化石燃料依赖导致的环境污染问题日益严峻。发展清洁可持续能源成为全球共识。太阳能资源丰富，但其间歇性和地域分散性限制了应用。​光电化学水分解技术（PEC）将太阳能和水直接转化为氢能，是最具前景的太阳能利用途径之一。该技术的核心在于高效光催化剂，其性能受能带结构、光吸收效率、载流子分离与表面反应活性等因素共同决定。

 

传统光催化剂的局限与新型材料探索

自1972年TiO₂被报道用于光解水以来，大量研究聚焦于3D金属氧化物、氮化物和硫化物。然而，这些传统光催化剂普遍存在紫外光吸收范围窄、载流子复合率高等缺陷，导致效率低下，难以实用化。后过渡金属硫族化合物（如Al₂Se₃、In₂S₃、Ga₂S₃、CuIn(S,Se)₂等）因具有直接带隙、优异电荷传输能力、高光吸收系数和良好导电性，在光催化、能源存储与转换领域展现出潜力，被视为替代Pt基HER催化剂和Ru基OER催化剂的候选者。其中，III-VI族半导体Al₂SSe虽潜力巨大，但研究相对较少。

 

硫硒化物（硫属化物）的优势与Janus结构机遇

研究发现，通过阴离子掺杂​（如形成MS₂(₁₋ₓ)Se₂ₓ三元硫硒化物），可精确调控材料的电催化性能和物理化学性质。MoS₂(₁₋ₓ)Se₂ₓ、NiSSe等三元化合物在析氢反应（HER）​和析氧反应（OER）​中表现出低过电位和可调电学性能。其性能提升源于优化的电子结构、增强的导电性和更多的活性位点。此外，具有独特非对称结构的Janus型二维材料​（如Ga₂SSe, Al₂XY, X/Y=S, Se, Te; X≠Y）因显著的压电效应、合适的半导体特性和能带位置，在光电子学、自旋电子学和光催化水分解领域备受关注。理论计算显示Al₂SSe单层具有优异的热力学稳定性、动态稳定性和可应变调控的光电性能。

 

Al₂SSe：从理论到实验的突破

尽管理论预测Al₂SSe前景广阔，其实验研究此前尚属空白。本研究首次采用水热合成法成功制备了Al₂SSe纳米棒材料（图1a）。该方法能有效控制纳米结构的形貌和组成。

图1 A) Al2Sse 纳米棒合成的示意图; b)10μmc)2μm 和200nm d 处的 Al2Sse 的 SEM 图像) Al2Sse 纳米棒的 XRD 图案 e)紫外可见光谱和 Al2Sse 的 tauc 图分析

 

材料结构与形貌表征

利用扫描电子显微镜（SEM）​​（图1b, c）和X射线衍射（XRD）​​（图1d）对产物进行表征：

SEM图像显示合成的Al₂SSe为均匀的纳米棒状，长度数微米，直径约250纳米（图1b, c）。这种高比表面积的纳米棒结构有利于催化过程中的物质传输和电荷转移。XRD图谱（图1d）显示其特征衍射峰与Al₂Se₃和Al₂S₃的标准卡片匹配良好，证实了高纯度的Al₂SSe相成功合成。

 

光学性质与能带分析

通过紫外-可见吸收光谱​（图1e）评估材料的光捕获能力，并结合Tauc图计算光学带隙（Eg）​。

吸收光谱显示Al₂SSe在紫外-可见光区有较强吸收（图1e）。Tauc图分析（基于公式 (αhν)² vs. hν）表明其为直接带隙半导体，计算得到的光学带隙约为2.35 eV（图1e）。这一窄带隙特性使其能有效利用太阳光谱中占比较大的可见光。

 

催化性能评估：HER, OER与水处理

本研究系统评估了水热合成Al₂SSe纳米棒在多种环境下的催化性能：

1.​电催化HER/OER性能：​

  • 在酸性和碱性介质中均测试了其析氢反应（HER）​和析氧反应（OER）​活性。
  • 结果表明，Al₂SSe催化剂表现出较低的过电位和塔菲尔斜率，同时具备较高的电流密度。这归因于其优化的电子结构、增强的导电性以及纳米棒结构提供的丰富活性位点。特别值得注意的是其在碱性HER中的良好表现，为开发非贵金属碱性HER催化剂提供了新思路。

2.​光催化水解毒性能：​

  • 评估了Al₂SSe纳米棒对有机污染物（以刚果红染料为模型）的光催化降解能力。
  • 得益于其2.35 eV的窄带隙和高效的光生电荷分离能力，Al₂SSe展现出优异的可见光驱动光催化活性，能有效降解刚果红染料，证明其在水污染治理领域的应用潜力。

 

结论与展望

本研究首次通过水热法成功合成了高纯度的Al₂SSe纳米棒材料，并系统表征了其结构、形貌（纳米棒）和光学性质（带隙~2.35 eV）。性能评估表明，Al₂SSe在酸性和碱性条件下均表现出优异的HER和OER电催化活性（低过电位、低塔菲尔斜率、高电流密度），同时具备高效的可见光驱动光催化降解有机污染物（如刚果红染料）的能力，可用于水处理。这些优异的性能源于其独特的Janus结构、优化的电子特性以及纳米棒形貌带来的高比表面积和丰富活性位点。该研究不仅填补了Al₂SSe实验研究的空白，也为其作为高效、低成本、多功能的pH通用型电催化剂和环境修复光催化剂的实际应用奠定了坚实基础。未来研究可进一步探索其规模化合成、稳定性提升及与其他材料的复合以优化性能。

 

参考文献：1.Muhammad Safdar, Mehak Iftikhar, Shahzad Rashid, Muhammad Awais, Arshia Iqbal, Anas Bilal, Sidra Aslam, Misbah Mirza, Synthesis and investigation of catalytic HER/OER performances of Al2SSe in alkaline/acidic media and water detoxification behavior, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 50, Part B, 2024, Pages 107-117, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.252.

 

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