吉大杨柏教授/苏大康振辉教授:碳化聚合物点助力金属卤化物钙钛矿光催化

金属卤化物钙钛矿(MHP)具有高的光吸收系数及低的表面电荷复合速率,因此,在光催化领域的应用也受到了越来越多的关注。最近,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的杨柏教授课题组联合苏州大学康振辉教授课题组设计制备了一种碳化聚合物点(CPDs)/金属卤化物钙钛矿(MHP)复合光催化剂,与以往所报道的光催化剂不同,首次将CPDs与MHP结合,并且CPDs能够有效的抽取MHP的光生空穴,得到长寿命的光生电子,从而提升了MHP光催化剂的催化效率,为钙钛矿光催化剂的电荷分离调控提供了一种新的研究思路。

CPDs/MAPbI3复合光催化剂的电荷分离

CPDs是具有聚合物和石墨化碳杂化结构的一类碳点,其表面具有丰富的羧基、氨基等极性基团使其能与钙钛矿相结合,形成稳定的复合物。同时,CPDs具有高的光稳定性和优异的电荷转移能力,因此,CPDs是光催化领域极具应用前景的材料。

吉大杨柏教授/苏大康振辉教授:碳化聚合物点助力金属卤化物钙钛矿光催化
Figure 1. CPDs和MAPbI3的合成表征与能级排列

 

本文以柠檬酸和对氨基水杨酸为原料,采用水热法制备了在可见光区具有较宽吸收以及黄绿色荧光的CPDs。与在可见光区具有宽而广泛的光吸收、且具有良好结晶性的MAPbI3钙钛矿相结合,得到复合光催化剂。CPDs与MAPbI3形成了能级交错的Type-II异质结,利于MAPbI3光生电荷的分离。通过瞬态荧光和吸收光谱证明CPDs通过超快的空穴转移来促进MAPbI3的电荷分离,将载流子寿命从12.4μs提升到23.9 μs,长寿命的光生电荷有利于催化反应的进行。

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Figure 2. 电荷分离和载流子动力学表征

 

光催化性能与反应机理

光催化反应包含光吸收、电荷分离和表面反应三个过程,与超快的光吸收和电荷分离的速率相比,表面反应速率则慢得多。因此,进一步提升金属卤化物钙钛矿光催化剂的电荷分离效率是提升其光催化性能的有效途径。CPDs与MAPbI3之间交错的能级,促使其间发生更有效的电荷转移。CPDs有效地抽取了MAPbI3的光生空穴,从而在MAPbI3的表面产生长寿命的光生电子,有利于H+光还原反应的进行。因此,CPDs的引入将可见光驱动HI裂解效率提高35倍。

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Figure 3. 光催化性能与机理研究

 

性能优化及方法普适性

优化MAPbI3/CPDs复合光催化体系,制备了三元复合的MAPbI3/CPDs/Pt复合光催化体系,Pt的引入使氢气的还原反应活性位点从钙钛矿转移到了Pt上,由于Pt具有其极强的电子转移能力和析氢活性,再与CPDs抽取空穴的能力相结合,使复合光催化剂催化裂解HI的产氢速率达到了11497 mmol h−1g−1,太阳能-氢能的转化效率为2.15%,这均是目前报道的金属卤化物钙钛矿光催化剂中的最高值。此外,CPDs抽取空穴的方法可以普遍提升之前所报道的MAPbI3/电子转移助催化剂体系的催化性能。

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Figure 4. 光催化性能优化与方法普适性探究

 

本文利用电荷转移能力优异、易制备且带隙可调的CPDs来调控钙钛矿光催化剂的载流子动力学,为促进电荷分离提供了一种新的思路,从而助力进一步开发新型高性能金属卤素钙钛矿光催化剂。

原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/mh/d0mh00955e

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