Hvad gør metaloxider til lovende fotokatalysatorer i soldrevet vandspaltning?

Metaloxider, såsom TiO2, Fe2O3, ZnO, SnO2 og WO3, er blevet fremhævet som vigtige materialer i udviklingen af fotokatalysatorer til soldrevet vandspaltning. Deres unikke egenskaber som stabilitet, ikke-toksicitet, omkostningseffektivitet og naturlige tilstedeværelse har gjort dem til attraktive kandidater til bæredygtig energiproduktion. På trods af deres popularitet er syntesen af ikke-lagdelte 2D metaloxider som TiO2 og Fe2O3 en kompleks opgave, da de metal-kationer, der er involveret i deres struktur, har en stærk affinitet for oxygen-anioner. Denne interaktion kan skabe udfordringer i fremstillingen af de ønskede nanosheets, men der er alligevel opnået succes i syntesen af sådanne materialer, og de er blevet anvendt i mange forskellige teknologiske sammenhænge.

En anden lovende kategori af materialer er bismuth oxyhalider (BiOX), hvor X kan være Cl, Br eller I. BiOX-materialernes struktur er karakteriseret ved [Bi2O2]2+ lag, der er adskilt af halogenionlag, hvilket skaber interne elektrostatisk felter og forbedrer deres fotokatalytiske egenskaber. Deres unikke arkitektur gør dem til en interessant kandidat til vandspaltning, da de har bemærkelsesværdige optiske og elektriske egenskaber, som gør dem til effektive fotokatalysatorer.

MXenes, som er en hurtigt fremvoksende klasse af 2D-materialer, har også tiltrukket sig opmærksomhed for deres rolle som fotokatalysatorer i hydrogenproduktion. Disse materialer, som inkluderer overgangsmetal-nitrider, carbider og carbonitrider, udviser imponerende fotofysiske egenskaber, strukturel og kemisk stabilitet, og har en stor aktiv overflade, hvilket gør dem særligt effektive i fotokatalyse. Når MXenes kombineres med andre semiconductorer som TiO2, skabes Schottky-junctions, der fremmer ladningsseparation og forbedrer den fotokatalytiske effektivitet.

Perovskitmaterialer som ABO3, hvor A og B er metalioner og O er ilt, har også tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres forbedrede fotostabilitet og tunbare fotofysiske egenskaber. Disse materialer, som inkluderer alkaliske titanater og jordalkalitantalater, anvendes i solcelleteknologi og fotokatalytisk hydrogenproduktion. Rhodium-dopede SrTiO3 og BaTiO3 har vist sig at være effektive semiconductorer til vandspaltning under synligt lys, hvilket viser potentialet for at bruge perovskitstrukturer i bæredygtige energisystemer.

Der er dog stadig en række udfordringer, som forskningen arbejder på at løse. Doping af materialer med andre elementer for at optimere båndgapanalysen og undersøge deres lokale strukturer er et aktivt forskningsområde. En anden udfordring er at forbedre processen til syntese af MXenes og optimere de etchingsparametre, der bruges til at opnå den ønskede struktur.

Fremtidige forskningsområder omfatter udviklingen af nye materialer og metoder til at forbedre fotokatalytisk effektivitet. Der er et øget fokus på at opnå bedre skalérbarhed og stabilitet af 2D fotokatalysatorer, samtidig med at de integreres i systemer til vandspaltning, der kan anvendes i store, kommercielle applikationer. Denne forskning vil spille en central rolle i at skabe mere effektive og miljøvenlige energisystemer.

En vigtig del af den videre udvikling er at forstå fotokatalytiske reaktioner i dybden og udvikle avancerede karakteriseringsteknikker og dynamiske simulationsmetoder, der kan fremskynde opdagelsen af nye fotokatalytiske materialer. Sammen med dette bør der lægges vægt på den langsigtede bæredygtighed, hvor integration af 2D fotokatalysatorer i solcellebaserede energisystemer kan skabe synergistiske effekter, der fremmer den globale overgang til ren energi.

Hvordan påvirker Van der Waals kræfter strukturen af 2D heterostrukturer og deres egenskaber?

Van der Waals (vdW) kræfter mellem lagene spiller en essentiel rolle i at opretholde integriteten af 2D-materialer. Disse kræfter, selvom svage, tillader samling af forskellige materialer uden behov for stærke kemiske bindinger. Den svage interaktion mellem lagene giver en relativ fleksibilitet, hvilket gør det muligt at opretholde skarpe grænseflader og samtidig bevare de individuelle egenskaber af hvert materiale. Denne fleksibilitet er med til at sikre, at de forskellige lag af et heterostruktur kan alignere sig korrekt, hvilket er af afgørende betydning for opnåelsen af de ønskede elektroniske egenskaber og effektiv ladeseparation.

På den anden side, involverer homostrukturer stablede lag af det samme 2D-halvledermateriale, hvor vdW kræfterne også spiller en vigtig rolle i at stabilisere den vertikale opbygning. I disse strukturer danner de gentagne lag et mønster, hvor lagene kan være præcist justerede (AB-stabling) eller roteret (AA-stabling) for at skabe forskellige elektroniske egenskaber. Denne type opbygning af materialer er også vigtig i den videre udvikling af 2D-halvledere.

Lateral stabling af 2D halvledere refererer derimod til en opstilling, hvor individuelle halvlederlag placeres side om side på et substrat, hvilket skaber en lateral stak. Også her vil de svage interlaginteraktioner påvirke de elektroniske, optiske og transportmæssige egenskaber af materialerne. Det er muligt at kontrollere den laterale stabling, ligesom den vertikale, for at danne heterogene strukturer med specifikke egenskaber ved at kombinere forskellige 2D halvledermaterialer. Dette åbner for en bred vifte af teknologiske anvendelser.

TMDC’er, som kristalliserer som lagdelte forbindelser med metalatomer imellem chalogenatomerne, er i denne sammenhæng blevet nøgleteknologier i den post-graphene æra. Over 40 forskellige TMDC-forbindelser findes, som består af overgangsmetaller fra grupperne 4, 5, 6, 7, 9 og 10 på det periodiske system. De anvendte chalogerner, svovl (S), selen (Se) og tellurium (Te), er de grundlæggende bestanddele i konstruktionen af disse materialer. De svage vdW kræfter gør det muligt at stable disse materialer vertikalt eller lateralt for at konstruere heterostrukturer med helt nye og interessante egenskaber.

En vigtig egenskab ved TMDC'er er deres sammensætning, som består af metalatomer bundet til chalogenatomer i et lag, og disse lag er holdt sammen af svage vdW kræfter. Denne struktur ligner atomtynde byggesten, som kan stables som et Lego-koncept for at skabe heterostrukturer med unikke egenskaber. Når to lag forbindes i planen, dannes laterale heterostrukturer. Når et lag stables på et andet, dannes en vertikal heterostruktur. De første eksperimentelle forsøg involverede vertikal stabling af forskellige 2D-materialer, opnået gennem kontrolleret overførsel af exfolierede film eller direkte vækst af forskellige TMDC’er på allerede eksisterende lag.

Strukturen af TMDC’er afhænger også af den måde, atomlagene er arrangeret på, hvilket resulterer i forskellige faser som H-fasen og T-fasen. I H-fasen er de øverste og nederste tetrahedroner organiseret symmetrisk i en trigonal prisme, mens T-fasen opnår en octahedral struktur efter en rotation af det øverste tetrahedron. Disse strukturelle forskelle har stor betydning for de elektroniske, vibrerende og optiske egenskaber af materialet.

Senest er der blevet udviklet en innovativ metode, der manipulerer den ud-af-planen symmetri af monolagene af MoSe2 og MoS2, hvilket har resulteret i syntesen af en asymmetrisk Janus MosSe monolagstruktur. Denne udvikling giver nye perspektiver for at finjustere elektroniske og optoelektroniske egenskaber gennem kontrollen af lagens orientering. Samtidig har man set store fremskridt i forståelsen af de mekanismer, der regulerer ladningernes levetid og rekombination i sådanne systemer.

Forståelsen af heterostrukturers opbygning og deres unikke egenskaber er af stor betydning, da den giver indsigt i, hvordan man kan manipulere egenskaberne af 2D-materialer for at udvikle næste generations elektroniske og optoelektroniske enheder. Dette potentiale bliver endnu mere spændende, når man ser på mulighederne for at skabe høj-effektive fotokatalytiske systemer gennem vertikale og laterale Janus heterostrukturer.

Det er også nødvendigt at overveje, hvordan den videre udvikling af vækstmetoder og eksfolieringsteknikker kan føre til nye gennembrud i syntesen og kontrol af disse strukturer. Eftersom sådanne heterostrukturer kan tillade en præcis kontrol over materialernes elektroniske og optoelektroniske egenskaber, er det muligt at skræddersy dem til specifikke applikationer, som solceller, lysdioder og fotodetektorer, der har potentiale til at revolutionere teknologi og industrien.

Hvordan 2D materialer revolutionerer elektronik og telekommunikation: Graphen, Hexagonal Boron Nitride og MXenes

I de senere år er der sket bemærkelsesværdige fremskridt inden for brugen af 2D materialer som grafen, hexagonal boron nitride (h-BN) og MXenes i elektroniske og fotoniske applikationer. Deres unikke egenskaber – såsom fremragende elektrisk ledningsevne, høje termiske konduktivitet og fleksibilitet – gør dem til ideelle kandidater for fremtidens teknologi. En af de mest lovende anvendelser af disse materialer er inden for antenner, energilagring og optoelektronik, hvor de bidrager til at forbedre ydeevne og effektivitet.

Graphen, for eksempel, har vist sig at være uovertruffen, når det gælder at forbedre signalfaseregeneration i avancerede modulationssystemer som star-16QAM. Grafen, sammen med grafenoxid, bruges i optiske waveguides, hvor deres evne til at tilpasse dispersion og non-lineariteter har stor betydning for at minimere fejlværdier og forbedre signalintegriteten. Det er i stand til at reducere fejlvektormagnituden betydeligt, hvilket gør det muligt at opnå højere datarater og mere stabil kommunikation i moderne trådløse netværk.

Hvad angår hexagonal boron nitride (h-BN), er det et andet interessant materiale, der bruges i elektroniske enheder, især som et substrat og isolator. På grund af sin høje energigab og termiske ledningsevne anvendes h-BN ofte til at beskytte og stabilisere andre materialer. Det har også vist sig at have en bemærkelsesværdig evne til at forhindre klumpning af carbon nanodots (CNDs), som anvendes i optoelektroniske enheder som LED'er og skærme. Når CNDs kombineres med h-BN, forbedres de optoelektroniske egenskaber, hvilket kan åbne nye døre for udviklingen af farvebaserede displays og belysningssystemer.

En anden vigtig anvendelse af h-BN er i piezoelektriske nanomaterialer, som kan aktiveres ved ultralyd. Disse materialer bliver undersøgt for deres potentiale i medicinske diagnostikværktøjer, hvor de kan anvendes til præcist at detektere ultralydsvariationer. Boron nitride nanoflakker, produceret gennem mekanokemisk eksfoliering, har vist sig at have fremragende piezoelektriske egenskaber, som kan forbedre effektiviteten af ultralydsdrevne enheder.

MXenes har også vist sig at være ideelle til at forbedre energieffektiviteten i elektroniske enheder ved at fungere som elektriske ledere i mikrosuperkondensatorer og triboelektriske nanogeneratorer. Disse materialer gør det muligt at opnå højere effekt og længere levetid i enheder, der er afhængige af energilagring og energigenvinding, såsom sensorer og bærbare enheder.

For at optimere brugen af disse materialer i fremtidens teknologi er det afgørende at forstå deres adfærd i forskellige miljøer og under forskellige belastninger. For eksempel skal forståelsen af dispersion og non-linære egenskaber i grafenoxide-baserede waveguides videreudvikles, så de kan anvendes i mere effektive kommunikationssystemer. Desuden er det vigtigt at undersøge, hvordan forskellige 2D materialer reagerer på ændringer i temperatur og elektriske felter, især når de anvendes i applikationer som trådløs energioverførsel og energilagring.

Disse fremskridt betyder, at vi kan forvente et betydeligt skift i den måde, vi udvikler og anvender teknologi på, især inden for områder som telekommunikation, energiopsamling og medicinsk teknologi. Fremtidens enheder vil ikke kun være hurtigere og mere effektive, men også mere fleksible og i stand til at tilpasse sig hurtigt skiftende miljøer.

Hvordan hexagonal boronnitrid (h-BN) og sort fosfor (BP) ændrer mulighederne for 2D optoelektroniske enheder

Men h-BN er ikke kun nyttigt som et substrat. Dets strukturelle og elektriske egenskaber har også ført til, at det anvendes som tunnelingbarriere i forskellige enheder, såsom felt-effekt-transistorer (FET'er). Når grafen er integreret på h-BN, kan det reducere ordensforstyrrelser på grafens overflade, hvilket resulterer i højere mobilitet for grafenbaserede enheder. Det er blevet vist, at transistorer lavet med h-BN som substrat opnår tre gange højere mobilitet sammenlignet med de samme enheder uden h-BN. Derudover viser enhederne n-type karakteristika, når de udsættes for høje belastninger, hvilket understøtter potentialet for h-BN i højeffektive transistorer.

De lokale defekter i 2D h-BN monolag og få-lags strukturer resulterer desuden i enkelt-foton-emission ved stuetemperatur. Disse emittere er særligt interessante for anvendelser i kvanteinformationssystemer og kan integreres i nanofotoniske kredsløb på chippeniveau. Det er et af de områder, hvor 2D materialer virkelig skiller sig ud, da de åbner for en række muligheder, der tidligere var umulige med traditionelle materialer.

BP's struktur og egenskaber gør det særligt attraktivt til avancerede næste-generations optoelektronik, hvor det kan bruges til at skabe enheder med høje ydelser og lavt energiforbrug. Den stærke interaktion mellem lagene i BP gør det muligt at manipulere dets elektroniske egenskaber på en præcis måde, hvilket giver mulighed for at justere båndgab og dermed enhedens ledningsevne og optiske respons.

Desuden er BP et af de få materialer, hvor båndgabet varierer signifikant, når det tyndes ud til et monolag, hvilket gør det muligt at opnå et bredt spektrum af elektroniske og optiske egenskaber. Sammenlignet med traditionelle semikonduktorer som MoS2, har BP en mere udtalt afhængighed af tykkelsen på materialet, hvilket giver en højere grad af kontrol over dets elektroniske karakteristika. Dette åbner for nye muligheder i designet af optoelektroniske komponenter som fotodetektorer og lysdioder, hvor præcis styring af båndgab er essentiel for effektivitet.

En vigtig faktor, der skal forstås i anvendelsen af h-BN og BP i 2D enheder, er betydningen af defekter og dopanter. For eksempel kan defekter som kantfejl, korngrænsers og dislokationer påvirke det elektroniske og optiske respons af materialerne. I h-BN kan sådanne defekter føre til ændringer i dens ledningsevne og påvirke dens anvendelse i forskellige enheder. Dopanter som kulstof, metalatomer eller fluor kan introduceres under syntesen og modificere materialets egenskaber, hvilket gør det muligt at finjustere dets funktioner til specifikke anvendelser.