第一作者:刘慧宇、杜晨宇
通讯作者:孙艳娟、盛剑平
发表期刊:ACS NANO
影响因子:15.8
实验方向:钙钛矿纳米晶光催化CO2还原
所在学校:电子科技大学资源与环境学院 孙艳娟老师课题组
钙钛矿纳米晶(PCNs)展现出显著的量子限域效应,增强了多激子的生成,使其在光催化CO?还原领域具有广阔的应用前景。然而,其转换效率受限于激子解离效率低下。为解决这一问题,我们通过配体工程方法合成了二茂铁甲醇功能化的CsPbBr?(CPB/FcMeOH)。通过利用FcMeOH分子间氢键增强的偶极矩,调控配体与PCN表面的电子耦合,有效促进了激子解离和界面电荷转移。在5小时的光照下,CPB/FcMeOH的CO产量达到772.79 μmol g?1,是原始CPB的4.95倍。这一高活性归因于CPB表面形成的氢键FcMeOH簇。FcMeOH分子的非极性破坏和强偶极矩增强了FcMeOH配体与CPB表面的电子耦合,降低了表面势垒能。因此,促进了量子限域域中多激子的解离。瞬态吸收光谱证实,CPB/FcMeOH表现出优化的激子行为,具有快速的内部弛豫、捕获和短的复合时间,使光生电荷能够更迅速地参与CO?还原。
面对全球能源需求不断增长和气候变化日益严峻的挑战,开发可持续且环保的能源转换技术显得尤为迫切。光催化CO?还原技术作为一种研究热点,旨在将CO?转化为有价值的有机化合物,同时减少温室气体排放。然而,光催化CO?还原是一个依赖电子的反应,在热力学和动力学上都存在巨大障碍,极大地阻碍了CO?的活化转化。因此,开发具有高光电转换能力、充足电子供应以及高而稳定催化活性的光催化剂至关重要。
近年来,钙钛矿纳米晶(PCNs)作为一种新兴的光催化剂候选材料,因其优异的物理化学和光电特性而备受关注,如固有缺陷容忍度、高光吸收系数以及尺寸可调的光电特性。此外,PCNs展现出显著的量子限域效应,能够促进多激子的生成,并通过载流子倍增或多光子吸收形成离域激子,为生成更多电子和提高CO?还原效率提供了可能。然而,量子限域效应也带来了挑战,即将激子波函数限制在PCNs内,显著增加了激子的束缚能,从而大幅降低了界面处的激子解离和电荷转移效率,进而影响了CO?的还原。
值得注意的是,Wu等人合成了由花瓣状硫化镉(CdS)纳米颗粒和硫掺杂氮化碳(SCN)组成的光催化剂,CdS与SCN之间存在强电子耦合,提高了电荷分离效率和光催化双酚A降解性能。先前的研究表明,配体工程可以有效调控PCNs与配体之间的电子耦合,实现多激子的有效利用。所有这些研究表明,配体调控的激子解离过程高度依赖于配体分子与PCNs表面之间的电子耦合强度。更强的电子耦合能更有效地调节激子内电子-空穴对之间的库仑相互作用,从而降低激子束缚能,增强激子解离。因此,通过调整配体与材料表面之间的相互作用力,特别是电子耦合程度,对于优化PCNs中的激子行为、揭示多激子高效利用的机制至关重要。
MC-SPB10
1、催化剂制备:采用热注射法合成了CPB。Cs2CO3(0.225 g)、OA(1 mL)和ODE(10 mL)在Ar下加热到120℃,提高到150℃,然后冷却到110℃作为油酸前驱体。将PbBr2(0.207 g)、OAm(1.5 mL)、OA(1.5 mL)和ODE(15 mL)在Ar下加热至120℃ 1h,升高至150℃,注入油酸前驱体(1.2 mL),5s后在冰浴中冷却至室温。分别将Fc和FcMeOH分别加入甲苯CPB溶液中,通过搅拌充分反应制备相应配体修饰的光催化剂。
2、催化剂性能测试:将制备的光催化剂超声波分散在甲苯中。溶液均匀分布在孔径为0.25 μm的玻璃纤维膜上。然后,将样品膜放入真空烤箱中,以除去多余的甲苯溶液。在光催化反应中,将样品膜放置在一个全封闭的石英反应器中,通过引入含有微量水蒸气的纯二氧化碳,将残留的O2和其它外来气体完全清除。同时,为了消除辐射的热效应,在反应器外加入循环水,使温度保持在20℃,用MC-SPB10光催化系统进行测试。
3、平均产量、产率:154.56 μmol g?1 h?1
4、最高产量、产率:191.10 μmol g?1 h?1
本研究针对钙钛矿纳米晶(PCNs)在光催化CO?还原过程中激子解离效率低的问题,通过配体工程策略,成功合成了二茂铁甲醇(FcMeOH)功能化的CsPbBr?(CPB/FcMeOH)光催化剂。研究的核心在于利用FcMeOH分子间形成的氢键簇所产生的强偶极矩效应,调控FcMeOH配体与CPB表面之间的电子耦合作用,从而显著提升了激子解离效率和界面电荷转移效率。
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