湖南大學JPPCR綜述：硫化銦基材料在太陽能轉換和利用的研究進展

【引言】

近年來，為了緩解能源短缺和環境問題帶來的壓力，國內外眾多科學家主張利用太陽能來代替一系列不可再生能源，并致力于開發新技術將太陽能高效轉化為化學能或電能來解決能源和環境問題。其中，硫化銦作為一種高效的可見光吸收材料，它具有較高的光吸收系數、光敏性、載流子遷移性好、帶隙適中、穩定性好、毒性低等眾多優點，在光能轉換領域得到了廣泛的研究。科研工作者開發了各種基于硫化銦的功能性納米結構，如納米顆粒、納米管、二維原子級納米片和納米片組裝復合物。利用缺陷調構、摻雜和雜交(與無機材料或生物分子)等技術調控硫化銦的光電化學性質，使得基于硫化銦材料的光催化、光電催化和光伏系統全面發展，促進了太陽能源利用在能源和環境問題上的突破。

【成果簡介】

近日，湖南大學環境學院曾光明教授和袁興中教授團隊在Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews?雜志上發表了綜述文章，題為: “Tailored Indium Sulfide-Based Materials for Solar-energy Conversion?and Utilization”。在該綜述中，作者首先對硫化銦的微觀晶體結構和不同維度宏觀形貌結構以及光電化學性質進行了詳細的描述，然后總結了單一硫化銦、摻雜硫化銦和硫化銦基復合材料的合成及表征。與此同時，報道了其在光化學環境凈化、可再生燃料的人工光合作用和太陽能電池方面的最新的進展。最后，對材料的微觀(或宏觀)結構調控、光轉換和利用機理等方面的前沿研究問題提出了展望。

【圖文介紹】

圖1.熱點材料以及金屬硫化物的文獻數目對比圖，硫化銦基材料的應用餅狀圖，以及太陽能轉換和利用概念圖。

圖2.硫化銦的晶體結構，帶隙特征及其吸收光譜圖。

圖3.從零維到三維硫化銦的不同形貌。

圖4.硫化銦不同形貌結構的合成示意圖。

圖5.摻雜硫化銦的合成示意圖。

圖6.多種硫化銦異質結的合成示意圖。

圖7.光化學環境凈化示意圖（水體有機污染物、重金屬、氣態污染物及滅菌）。

圖8.光催化分解水產氫。

圖9.光電催化水分解產氫。

圖10.生物輔助硫化銦基材料光催化產氫產氧。

圖11.光催化二氧化碳還原。

圖12. 硫化銦基太陽能電池組件。

【總結與展望】

基于硫化銦的光催化、光電催化及光伏系統在太陽能的轉化利用中有著極其重要的地位且取得了一定的突破和進展。硫化銦的調控手段目前主要分為四類：(1)調節晶體結構中原子排列和空位分布來設計缺陷結構；(2)過渡金屬離子和稀土離子摻雜來擴展硫化銦的吸收光譜，使它在近紅外照射下也能做出響應；（3）將硫化銦與其他半導體(金屬硫化物、貴金屬、金屬氧化物、金屬有機骨架)耦合構建異質結構，實現有效的電荷分離，克服硫化銦的光腐蝕現象；(4) 構建基于硫化銦的生物雜交系統，將硫化銦的高效光能吸收特性與生物催化能有機結合，最大限度地利用太陽能。基于硫化銦的前沿工作該團隊提出如下幾點展望： (1)原子級結構調控，或與最新半導體進行耦合(MXene，黑磷，硼烯，磷化氫)；(2)結合理論計算、原位光譜、電化學等技術研究光轉化和利用的機理；(3)基于硫化銦/生物分子(微生物個體)的雜交體在光合反應方面還需更深入的試驗與研究；(4)缺陷硫化銦用于光催化固氮產氨的開發研究。

文獻鏈接：Tailored Indium Sulfide-Based Materials for Solar-energy Conversion?and Utilization?(Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews,?2019, 38, 1-26, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2018.11.001)

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