赵惠军团队：具有强内建电场的单层MoS2/MAPbI3微晶光催化产氢体系学术资讯

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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”。

图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-MoS2与MAPbI3-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。

图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 gCat‒1 h‒1、1.09%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出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 day‒1。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。

图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。

来源：nanoer2015 纳米人

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