光驱动半导体材料催化产H2一直被认为是可持续的生产绿色H2的有效途径。为了实现高效的太阳-氢气转换(STH)，开发具有优异光电性能的半导体材料非常重要。有机-无机杂化钙钛矿(OHPs)具有宽带吸收、长载流子寿命和合适的带位置等特性，使其成为生产H2的潜在平台。然而，OHPs用于光催化反应遇到的最具挑战性的问题是如何在光催化反应中保持稳定。
根据前人的研究，通过在饱和碘化氢(HI)溶液中MAPbI3的溶解-再沉淀平衡，可以在水溶液中稳定MAPbI3。稳定的MAPbI3在可见光照射下能够驱动光催化HI分解反应产生H2。但是，由于MAPbI3中严重的电荷重组，所获得的STH能量转换效率仍然受到限制。因此，开发促进OHP中电荷分离和转移的有效策略一直是该领域的研究重点。
近日，大连海事大学宗旭课题组在MAPbI3钙钛矿光催化剂上引入动态Cu/(CuI2)−对作为电子/能量中继站(MAPbI3 CuI-x M)，显著抑制了电荷复合。研究人员发现，反应溶液中的(CuI2)−离子可以有效地捕获MAPbI3的光生电子，在MAPbI3表面产生金属Cu物种，从而有效地阻碍电荷重组，同时存储光子能量。随后，通过进一步引入Pt共催化剂(Pt/MAPbI3 (CuI-x M))，进一步提升光催化性能。
在光照下，0.5 wt% Pt/MAPbI3 (CuI-0.26 M)光催化剂的产氢速率高达577 μmol h-1;并且，在8次循环反应过程中，该催化剂由于初始诱导周期的影响，第一个周期中性能小于其他反应周期，在接下来的7个循环中光催化活性没有下降，且测试后材料的结构和形貌未发生明显变化，表明其具有良好的光化学稳定性和结构稳健性。
基于一系列系统的表征，研究人员揭示了Pt/MAPbI3 (CuI-x M)体系优越的光催化H2生产活性来源。在光催化反应过程中，加入到MAPbI3 (CuI-x M)体系中的PtCl62−前驱体通过简单的置换反应或通过Cu/MAPbI3的光生电子自发地在金属Cu表面还原为金属Pt。
Pt共催化剂通过两条途径促进H2的析出反应：首先，Pt共催化剂加速了金属Cu与HI之间的反应，从而更有效地释放储存在金属Cu中的太阳能产生H2;其次，Pt共催化剂能够充分利用MAPbI3 (CuI-x M)产生的光生成电子，促进更高效的HER催化。因此，通过Cu/(CuI2)−电子/能量中继站的级联作用，促进MAPbI3的催化，实现了相当高效的光催化HER反应。
总的来说，该项工作为OIHPs中的电荷转移工程建立了一个新的范式，为开发实用的基于钙钛矿的太阳能燃料生产系统铺平了道路。
Depressing charge recombination in hybrid perovskites by introducing dynamic electron/energy relay couple towards enhanced photocatalytic hydrogen production. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE03864A
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编辑：北方有色网
来源：大连海事大学
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