中科大Angew.：甲基銨碘化鉛鈣鈦礦中的連續分布缺陷促進(jìn)光催化析氫

光催化析氫(PHE)在將豐富的太陽(yáng)能轉化為清潔的氫氣燃料方面具有巨大的潛力，為綠色和可持續的能源發(fā)展提供了希望。尋找具有高效電荷分離的高性能光催化劑被認為是未來(lái)PHE實(shí)際應用的最大挑戰之一。近年來(lái)，有機-無(wú)機雜化鈣鈦礦因其窄帶隙、高電荷遷移率等優(yōu)勢在光伏領(lǐng)域取得了巨大的成功。受這些優(yōu)良特性的啟發(fā)，Park等在2016年首次將甲基銨碘化鉛鈣鈦礦(MAPbI ₃ )用作飽和HI水溶液中的PHE催化劑。此后，研究人員對MAPbI ₃ 光催化劑的研究普遍集中在構建基于MAPbI ₃ 的異質(zhì)結構，以進(jìn)一步促進(jìn)電荷分離以獲得更高的性能，但這對異質(zhì)界面的連續性等提出了苛刻的要求。因此，更多地關(guān)注調控MAPbI ₃ 光催化劑本身的電荷轉移動(dòng)力學(xué)(而不是添加另一種成分來(lái)構建異質(zhì)結構)，可以作為一種增強其PHE性能的替代方法。

基于此， 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛佳偉、張群和 鮑駿(共同通訊)等人 提出了一種調節缺陷區域分布的新策略，有效的提升了MAPbI ₃ 光催化劑的電荷轉移動(dòng)力學(xué)。

在成功合成MAPbI ₃ -C(具有連續缺陷)后，本文測試了其在飽和HI水溶液中的PHE性能。正如預期的那樣，MAPbI ₃ -C的活性顯著(zhù)高于MAPbI ₃ -I(普通MAPbI ₃ 催化劑)。其中，MAPbI ₃ -C的PHE速率高達0.64 mmol·g ^-1 ·h ^-1 ，比MAPbI ₃ -I(0.06 mmol·g ^-1 ·h ^-1 )高一個(gè)數量級。更重要的是，MAPbI ₃ -C如此良好的活性在7次循環(huán)測試后并沒(méi)有明顯的衰減，表明其具有長(cháng)期穩定性，而MAPbI ₃ -C如此好的穩定性可能是由于MAPbI ₃ 晶體與其飽和溶液之間的動(dòng)態(tài)平衡。值得注意的是，當催化劑負載MoS ₂ 后，MAPbI ₃ -C的產(chǎn)氫速率增長(cháng)到61.03 mmol·g ^-1 ·h ^-1 ，并且優(yōu)于大多數報道的金屬鹵化物鈣鈦礦光催化劑。

此外，由于MAPbI ₃ -I和MAPbI ₃ -C的能帶結構相似，MAPbI ₃ -C的PHE性能增強應該在很大程度上依賴(lài)于電荷轉移動(dòng)力學(xué)的促進(jìn)。為了對電荷分離和轉移有一個(gè)直觀(guān)的分析，本文進(jìn)行了瞬態(tài)光電流響應和電化學(xué)阻抗光譜(EIS)測試。測試結果表明，MAPbI ₃ -C比MAPbI ₃ -I具有更高的光電流，這表明MAPbI ₃ -C中的電荷分離效率更高。此外，從Nyquist圖還可以看出，與MAPbI ₃ -I相比，MAPbI ₃ -C的電荷轉移電阻更低，這有利于MAPbI ₃ -C的電荷轉移。

綜上所述，本文展示了一種調節缺陷區域分布的新策略，以促進(jìn)MAPbI ₃ 光催化劑的電荷轉移動(dòng)力學(xué)，從而提高了其光催化析氫的性能。本文通過(guò)緩慢的溶液生長(cháng)方法制備了MAPbI ₃ -C光催化劑，并通過(guò)AFM-IR光譜證實(shí)了這種連續的缺陷分布。SRPL映射結果表明，連續的缺陷分布使得光生電子能夠在被捕獲之前進(jìn)行遠距離轉移，這一點(diǎn)也通過(guò)fs-TA測試得到了進(jìn)一步的驗證，在本文的fs-TA測試中可以觀(guān)察到延遲的電子捕獲過(guò)程。

此外，fs-TA結果還表明，被捕獲的電子可以很容易地在缺陷區域遷移以延長(cháng)它們的壽命?？傊?，以前的報道通常集中在缺陷濃度或缺陷類(lèi)型的調節上，而本文的工作為利用與電荷轉移動(dòng)力學(xué)直接相關(guān)的缺陷分布開(kāi)辟了一個(gè)新的視角，從而為提高催化劑的光催化反應效率提供了一個(gè)強有力的工具。

Promoting Photocatalytic H ₂ Evolution through Retarded Charge Trapping and Recombination by Continuously Distributed Defects in Methylammonium Lead Iodide Perovskite, Angewandte Chemie International Edition , 2023 , DOI: 10.1002/anie.202308140.

https://doi.org/10.1002/anie.202308140.

添加下方微信好友，立即咨詢(xún) ：

電話(huà)/微信：13622327160

  點(diǎn)擊閱讀原文，立即咨詢(xún)計算！