具有可調(diào)活性表面的有序超薄納米線(xiàn)陣列盡管在光電子學(xué)領(lǐng)域具有吸引力，但其精確合成至今仍具有挑戰(zhàn)性。具體而言，因?yàn)楝F(xiàn)有方法的綜合限制，對(duì)凹壁的形狀、大小和分布的精確控制仍然困難，導(dǎo)致對(duì)催化劑電荷動(dòng)力學(xué)的潛在機(jī)制仍未被探究清楚。近日，趙東元院士和復(fù)旦大學(xué)李偉等首次采用獨(dú)特的單膠束定向組裝方法合成了排列整齊的亞10 nm超薄TiO₂納米線(xiàn)陣列。

對(duì)于TiO₂納米線(xiàn)陣列，并排生長(zhǎng)的納米線(xiàn)直徑為8 nm，相鄰距離為10 nm，并垂直排列(厚度為800 nm)，表面積為102 m² g^-1；波紋結(jié)構(gòu)由碗狀凹形結(jié)構(gòu)(直徑5 nm)組成，沿超薄納米線(xiàn)的軸線(xiàn)緊密排列。

更重要的是，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變反應(yīng)時(shí)間，可以很好地控制凹形結(jié)構(gòu)的直徑(2 ~ 5 nm)，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)分別為電荷分離和傳輸提供了極短的徑向距離和直接軸向通道。

更重要的是，由于具有可調(diào)性的軸向排列的凹形結(jié)構(gòu)，這種壁可以通過(guò)誘導(dǎo)大帶彎曲和加速表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)大大激活空穴收集，這意味著超薄波紋TiO₂納米線(xiàn)陣列同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效的電荷分離、電子和空穴傳輸，最終實(shí)現(xiàn)了表面空穴活化。

因此，該陣列具有優(yōu)異的電荷動(dòng)態(tài)特性，即使在0.41 V_RHE的極低電位下，也能獲得高的偏置光子電流效率(1.4%)；在1.23 V_RHE下，光電流高達(dá)1.96 mA cm^-2。該項(xiàng)工作對(duì)凹壁電荷動(dòng)力學(xué)的探究和單膠束導(dǎo)向的精確合成為按需設(shè)計(jì)和制備具有優(yōu)化空間組織和目標(biāo)功能的光電材料提供了指導(dǎo)。

Sub-10 nm Corrugated TiO₂ Nanowire Arrays by Monomicelle-Directed Assembly for Efficient Hole Extraction. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c10395