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Sr3Zr2Cu4Q9 (Q = S and Se): two novel layered quaternary mixed transition metal chalcogenides
Dalton Transactions ( IF 3.5 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1039/d4dt02928c Sayani Barman, Sweta Yadav, Akshay K. Ray, Swati, M. Deepa, Manish K. Niranjan, Jai Prakash
Dalton Transactions ( IF 3.5 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1039/d4dt02928c Sayani Barman, Sweta Yadav, Akshay K. Ray, Swati, M. Deepa, Manish K. Niranjan, Jai Prakash
Depending on their bandgaps, mixed metal layered chalcogenides are potential candidates for thermoelectric and photovoltaic applications. Herein, we reported the exploratory synthesis of Sr–Zr–Cu–Q (Q = S/Se) systems, resulting in the identification of two novel quaternary chalcogenides: Sr3Zr2Cu4S9 and Sr3Zr2Cu4Se9. These isoelectronic compounds (Sr3Zr2Cu4Q9) crystallized in two different structural types. The Sr3Zr2Cu4S9 structure (space group: P) adopted the Ba3Zr2Cu4S9 structure type with eighteen unique atomic sites: 3 × Sr, 2 × Zr, 4 × Cu, and 9 × S. In contrast, the Sr3Zr2Cu4Se9 structure (P) represented a unique structure type with nineteen unique atomic positions including one additional Cu site compared to the Sr3Zr2Cu4S9 structure. The sulfide structure was stoichiometric, whereas the selenide structure was found to be non-stoichiometric with three partially occupied Cu positions. The Sr3Zr2Cu4Q9 structures consisted of layers with the Sr2+ cations occupying the interstitial spaces. In both structures, the Zr atoms occupied distorted octahedral positions. A striking difference between the two structures resulted from the distinct bonding interactions between the Cu and Q atoms. The optical bandgap of polycrystalline Sr3Zr2Cu4S9 was 1.7(1) eV. Interestingly, resistivity measurements of polycrystalline Sr3Zr2Cu4Se9 revealed metallic/degenerate semiconducting behavior at low temperatures. The photovoltaic performance of semiconducting Sr3Zr2Cu4S9 demonstrated ∼24% increment in power conversion efficiency when incorporated into a TiO2/CdS photoanode due to its narrower bandgap, which increased the light-harvesting ability of the cell. We also explored the theoretical electronic structures, COHP, and Bader charges of the Sr3Zr2Cu4Q9 structures using DFT calculations.
中文翻译:
Sr3Zr2Cu4Q9 (Q = S 和 Se):两种新型层状季元混合过渡金属硫系元素
根据带隙的不同,混合金属层状硫系物是热电和光伏应用的潜在候选者。在此,我们报道了 Sr-Zr-Cu-Q (Q = S/Se) 系统的探索性合成,从而鉴定了两种新型季硫系化合物:Sr3Zr2Cu4S9 和 Sr3Zr2Cu4Se9。这些等电子化合物(Sr3Zr2Cu4Q9)结晶成两种不同的结构类型。Sr3Zr2Cu4S9 结构(空间群:P )采用 Ba3Zr2Cu4S9 结构类型,具有 18 个独特的原子位点:3 × Sr、2 × Zr、4 × Cu 和 9 × S。相比之下,与 Sr3Zr 2 Cu4 S 9 结构 (P ) 相比,Sr3Zr2Cu4Se9 结构代表了一种独特的结构类型,具有 19 个独特的原子位置,包括一个额外的 Cu 位点结构。硫化物结构是化学计量的,而硒化物结构是非化学计量的,具有三个部分占据的 Cu 位置。 Sr3Zr2Cu4Q9 结构由 层组成,其中 Sr2+ 阳离子占据间隙空间。在这两种结构中,Zr 原子都占据了扭曲的八面体位置。两种结构之间的显着差异是由于 Cu 和 Q 原子之间不同的键合相互作用造成的。多晶 Sr3Zr2Cu4S9 的光学带隙为 1.7(1) eV。有趣的是,多晶 Sr3Zr2Cu4Se9 的电阻率测量揭示了低温下的金属/简并半导体行为。半导体 Sr3Zr2Cu4S9 的光伏性能在掺入 TiO2/CdS 光阳极时表现出 ∼24% 的功率转换效率增加,因为它的带隙更窄,这增加了电池的光捕获能力。我们还使用 DFT 计算探索了 Sr3Zr2Cu4Q9 结构的理论电子结构、COHP 和 Bader 电荷。
更新日期:2024-12-17
中文翻译:
Sr3Zr2Cu4Q9 (Q = S 和 Se):两种新型层状季元混合过渡金属硫系元素
根据带隙的不同,混合金属层状硫系物是热电和光伏应用的潜在候选者。在此,我们报道了 Sr-Zr-Cu-Q (Q = S/Se) 系统的探索性合成,从而鉴定了两种新型季硫系化合物:Sr3Zr2Cu4S9 和 Sr3Zr2Cu4Se9。这些等电子化合物(Sr3Zr2Cu4Q9)结晶成两种不同的结构类型。Sr3Zr2Cu4S9 结构(空间群:P )采用 Ba3Zr2Cu4S9 结构类型,具有 18 个独特的原子位点:3 × Sr、2 × Zr、4 × Cu 和 9 × S。相比之下,与 Sr3Zr 2 Cu4 S 9 结构 (P ) 相比,Sr3Zr2Cu4Se9 结构代表了一种独特的结构类型,具有 19 个独特的原子位置,包括一个额外的 Cu 位点结构。硫化物结构是化学计量的,而硒化物结构是非化学计量的,具有三个部分占据的 Cu 位置。 Sr3Zr2Cu4Q9 结构由 层组成,其中 Sr2+ 阳离子占据间隙空间。在这两种结构中,Zr 原子都占据了扭曲的八面体位置。两种结构之间的显着差异是由于 Cu 和 Q 原子之间不同的键合相互作用造成的。多晶 Sr3Zr2Cu4S9 的光学带隙为 1.7(1) eV。有趣的是,多晶 Sr3Zr2Cu4Se9 的电阻率测量揭示了低温下的金属/简并半导体行为。半导体 Sr3Zr2Cu4S9 的光伏性能在掺入 TiO2/CdS 光阳极时表现出 ∼24% 的功率转换效率增加,因为它的带隙更窄,这增加了电池的光捕获能力。我们还使用 DFT 计算探索了 Sr3Zr2Cu4Q9 结构的理论电子结构、COHP 和 Bader 电荷。