湖南大学JPPCR综述：硫化铟基材料在太阳能转换和利用的研究进展

【引言】

近年来，为了缓解能源短缺和环境问题带来的压力，国内外众多科学家主张利用太阳能来代替一系列不可再生能源，并致力于开发新技术将太阳能高效转化为化学能或电能来解决能源和环境问题。其中，硫化铟作为一种高效的可见光吸收材料，它具有较高的光吸收系数、光敏性、载流子迁移性好、带隙适中、稳定性好、毒性低等众多优点，在光能转换领域得到了广泛的研究。科研工作者开发了各种基于硫化铟的功能性纳米结构，如纳米颗粒、纳米管、二维原子级纳米片和纳米片组装复合物。利用缺陷调构、掺杂和杂交(与无机材料或生物分子)等技术调控硫化铟的光电化学性质，使得基于硫化铟材料的光催化、光电催化和光伏系统全面发展，促进了太阳能源利用在能源和环境问题上的突破。

【成果简介】

近日，湖南大学环境学院曾光明教授和袁兴中教授团队在Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 杂志上发表了综述文章，题为: “Tailored Indium Sulfide-Based Materials for Solar-energy Conversion and Utilization”。在该综述中，作者首先对硫化铟的微观晶体结构和不同维度宏观形貌结构以及光电化学性质进行了详细的描述，然后总结了单一硫化铟、掺杂硫化铟和硫化铟基复合材料的合成及表征。与此同时，报道了其在光化学环境净化、可再生燃料的人工光合作用和太阳能电池方面的最新的进展。最后，对材料的微观(或宏观)结构调控、光转换和利用机理等方面的前沿研究问题提出了展望。

【图文介绍】

图1.热点材料以及金属硫化物的文献数目对比图，硫化铟基材料的应用饼状图，以及太阳能转换和利用概念图。

图2.硫化铟的晶体结构，带隙特征及其吸收光谱图。

图3.从零维到三维硫化铟的不同形貌。

图4.硫化铟不同形貌结构的合成示意图。

图5.掺杂硫化铟的合成示意图。

图6.多种硫化铟异质结的合成示意图。

图7.光化学环境净化示意图（水体有机污染物、重金属、气态污染物及灭菌）。

图8.光催化分解水产氢。

图9.光电催化水分解产氢。

图10.生物辅助硫化铟基材料光催化产氢产氧。

图11.光催化二氧化碳还原。

图12. 硫化铟基太阳能电池组件。

【总结与展望】

基于硫化铟的光催化、光电催化及光伏系统在太阳能的转化利用中有着极其重要的地位且取得了一定的突破和进展。硫化铟的调控手段目前主要分为四类：(1)调节晶体结构中原子排列和空位分布来设计缺陷结构；(2)过渡金属离子和稀土离子掺杂来扩展硫化铟的吸收光谱，使它在近红外照射下也能做出响应；（3）将硫化铟与其他半导体(金属硫化物、贵金属、金属氧化物、金属有机骨架)耦合构建异质结构，实现有效的电荷分离，克服硫化铟的光腐蚀现象；(4) 构建基于硫化铟的生物杂交系统，将硫化铟的高效光能吸收特性与生物催化能有机结合，最大限度地利用太阳能。基于硫化铟的前沿工作该团队提出如下几点展望： (1)原子级结构调控，或与最新半导体进行耦合(MXene，黑磷，硼烯，磷化氢)；(2)结合理论计算、原位光谱、电化学等技术研究光转化和利用的机理；(3)基于硫化铟/生物分子(微生物个体)的杂交体在光合反应方面还需更深入的试验与研究；(4)缺陷硫化铟用于光催化固氮产氨的开发研究。

文献链接：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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