赵惠军团队报道 “微晶光电解池”:具有强内建电场的单层MoS2/MAPbI3微晶光催化产氢体系
Matter 2020-07-31

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第一作者:赵肖乐、陈珊
通讯作者:赵惠军、杨化桂、尹华杰
通讯单位:澳大利亚Griffith University、华东理工大学
 
研究亮点:
1可控合成高质量钙钛矿微晶和复合材料。
2基于钙钛矿微晶的光催化剂具有Type-II型异质结,并具有很强的内置电场。
3该光催化剂有利于电荷分离,促进分解产氢
 
光催化剂
太阳能光催化制氢是清洁能源高效利用之重要途径,其核心是设计制备高效光催化剂。在光催化剂内合理构建稳定内建电场,从而有效分离光生电子和空穴,被认为是提高光催化剂性能的最有效策略之一。然而,传统半导体电荷扩散距离较短,迫使人们使用纳米尺度光催化剂。虽然纳米尺度光催化剂具有较高活性表面,但其结构的不稳定性,更重要的是难于定义、确立和表征其氧化/还原反应位点空间分布及对应内建电场分布,导致高性能光催化剂设计面临巨大挑战。因此,具有可确认空间分布的氧化/还原反应位点及对应内建电场分布的微米尺度催化剂,将为研究理性构建内电场提高催化剂性能提供有效模型。
 
近年来,因其高吸光能力、合适能带结构及超长电荷扩散距离,金属卤化物钙钛矿作为新型催化材料在光催化领域崭露头角。钙钛矿材料特性非常适合用于构建具有明确空间位置及分布的异质结结构的微米尺度单晶,从而实现精确表征内建电场分布及构效关系,为合理设计光催化剂内建电场实现高效光催化制氢开辟一个有效途径。
 
成果简介
有鉴于此,澳大利亚Griffith University赵惠军教授和尹华杰博士,以及华东理工大学杨化桂教授提出并实现了可见光驱动“微晶光电解池”概念:设计、合成了基于单层MoS2微米片/MAPbI3微米单晶(ML-MoS2/MAPbI3-MC)的“微晶光电解池”。

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 1. ML-MoS2/MAPbI3-MC主要表征
 
要点1:Type-II异质结光催化剂
在可见光照射下,这种由微米尺度典型电化学产氢催化剂(MoS2)与高效光吸收材料(MAPbI3)形成的Type-II异质结具有很强的内电场,可高效驱动氢碘酸分解产氢。快速重结晶法被用于制备尺寸分布均一的高质量ML-MoS2/MAPbI3-MC(图1),ML-MoS2紧密插嵌在MAPbI3菱形十二面体单晶表面。开尔文探针力显微镜(KPFM)测试结果显示光照下电子在ML-MoS2表面聚集产生-300 mV左右光电压,与此同时空穴在MAPbI3-MC表面聚集产生+100 mV左右光电压(图2),表明ML-MoS2MAPbI3-MC之间具有约400 mV可用于促进光生电荷分离、转移的固有电压差(内建电场), 从而实现高效氢碘酸分解产氢。

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 2. ML-MoS2/MAPbI3-MC的表面光电压分布
 
要点2:产氢性能测试
可见光氢碘酸光分解产氢实验结果表明,ML-MoS2/MAPbI3-MC具有优异催化产氢活性及稳定性(图3),其产氢活性、太阳能-氢能转换效率(STH)以及450 nm下表观量子效率分别高达13.6±1.2 mmol gCat1 h11.09%和11.6%,且连续反应200 h后催化剂产氢活性无明显下降。该“微晶光电解池”可见光产氢活性比单独MAPbI3微米单晶及MAPbI3-铂复合体系活性分别高220和23倍。另外,该体系在户外自然光照下产氢活性可达83-103 mL day1。共聚焦显微镜原位观测显示氢气气泡选择性逸出于ML-MoS2表面,证明了ML-MoS2的阴极功能。因此,在“微晶光电解池”中,MAPbI3微米单晶表面和单层MoS2纳米片分别作为微阳极和微阴极,在可见光驱动下高效“电解”氢碘酸。ML-MoS2的高HER活性保证了氢碘酸“电解”可以高效进行。该研究还发现单层WS2亦可作为微阴极起到类似增进作用。此外,ML-MoS2与其它类型钙钛矿微米单晶,如:δ-FAPbI3-MCs、MASnI3-MCs和MA3Bi2I9-MCs构成的Type-II型异质结的产氢活性较其对应纯相钙钛矿都有显著地提高。

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 3. 可见光氢碘酸分解产氢性能
 
小结
该研究为太阳能驱动光催化制氢催化剂,尤其是微米尺度催化剂设计、合成提供了一个有效策略。
 
作者简介
 
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赵惠军教授是Griffith University清洁环境与能源中心创立者、英国皇家化学学会及澳大利亚皇家化学会会士、R.H. Stokes电化学奖章的获得者,主要从事能源、环境纳米材料、水源控制管理系统、野外环境传感技术及水环境质量评估方面研究。目前的研究方向之一是探索提高非贵重材料催化能力的新方法并用于重要催化反应。已发表了450余篇期刊论文、引用28900余次,并被Clarivate Analytics列为高引作者。赵惠军教授获得8项全球专利,并且成功实现商业化。
  
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杨化桂教授,华东理工大学教授、博导、国家杰出青年基金获得者、霍尼韦尔学者、教育部新世纪优秀人才、上海市自然科学牡丹奖、上海市优秀学术带头人、上海市东方学者特聘教授、上海市曙光学者,主要围绕太阳能转换与存储开展清洁能源领域关键功能材料(催化剂)及器件的理论设计、制备组装和应用基础研究。主持承担多项国家自然科学基金项目、上海市教委科研创新计划重大项目、上海市科委基础研究重点项目等,参与完成并获教育部自然科学奖一等奖1项、二等奖1项、上海市自然科学奖一等奖。在Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文200余篇,被SCI引用20000余次,是爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)。
 
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尹华杰博士2015年博士毕业于国家纳米科学中心和清华大学,师从唐智勇教授和朱永法教授。2015年至今在澳大利亚格里菲斯大学(Griffith University)赵惠军教授课题组从事博士后研究工作。研究领域主要集中于功能纳米材料、二维材料精准可控合成;地球丰量小分子转换制备高附加值产物的新兴光、电化学反应;大面积高效电极材料的低成本大规模制备方法。在Chem. Soc. Rev., Nat. Energy, Nat. Commun., Adv. Mater.等学术期刊共发表SCI论文50余篇,被SCI引用5600余次。

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