青岛农大师进生教授等在Solar RRL报道了“协同效应”实现高效持久的光催化CO2还原

引言

近年来，全无机卤素钙钛矿CsPbBr₃因其光致发光效率高、光吸收范围宽、消光系数大、光生载流子寿命长等优异的光电特性而在光催化领域受到广泛关注。然而，铅卤钙钛矿很不稳定，在液态水等极性较大的溶剂中会发生分解，从而失去光催化活性，严重限制了其应用范围。此外，由于其电子-空穴对的严重重组和活性位点的缺乏，单独的CsPbBr₃有着较低的光催化活性。因此，实现铅卤钙钛矿在液态水环境下的应用，提高其光催化性能具有十分重要的意义。

成果简介

近日，青岛农业大学师进生教授、青年教师兰学芳、马永超教授（共同通讯）通过简单的反溶剂法，采用协同效应法，即使用多功能的三聚氰胺海绵 (MF)和g-C₃N₄ 对CsPbBr₃铅卤钙钛矿进行修饰。研究表明，三聚氰胺海绵的三维结构可以支撑CsPbBr₃，避免其与液态水的直接接触而发生分解。另一方面，三聚氰胺海绵的多孔性可以加快液态水的蒸发，从而实现CO₂气体与水蒸气的充分混合。三聚氰胺海绵的这些功能成功地实现了CsPbBr₃在液态水环境下的CO₂光还原。g-C₃N₄的引入可以加快光生载荷子的转移效率，实现复合物中电子积累和CO₂吸附位点的统一，从而进一步提高了CsPbBr₃的光催化性能。此外，MF/CsPbBr₃-g-C₃N₄复合光催化剂有着较强的表面疏水性和优异的光热效应，使其具有长久且稳定的光催化活性。在连续反应76个小时后，目标物的产率没有明显下降。相关成果以题为“Boosting CsPbBr₃-Driven Superior and Long-Term Photocatalytic CO₂ Reduction under Pure Water Medium: Synergy Effects of Multifunctional Melamine Foam and g-C₃N₄” (https://doi.org/10.1002/solr.202100186)发表在国际著名期刊Solar RRL（IF=7.527）上，研究生陈巧为论文的第一作者。

图文导读

图1. (a) MF/CPB-CN复合材料的制备过程。(b-e) MF负载的催化剂的SEM图像。(f) MF/CPB-CN-1.5复合材料的SEM及其元素分布图像。

图2. 样品的(a) XRD谱图，(b) XPS和(c) FTIR光谱。(d) CPB-CN-1.5的HAADF STEM及其元素分布图像。(e) CsPbBr₃ 和 (f) g-C₃N₄ 粉末的TEM图像。(g) CPB-CN-1.5的TEM，HR-TEM和SAED图像。

图3. (a) CsPbBr₃ (110)和 C₃N₄ (002)平面的静电势。灰色、蓝色、紫色、深灰色和红色的球体分别代表C、N、Cs、Pb和Br原子。红色虚线和蓝色虚线分别表示费米能级和真空能级。(b) CPB-CN复合模型及相应电荷差分布，(c) CPB-CN界面的电子位置函数分析(粉色和蓝色区域分别表示电子耗尽和积累)。(d) Cs 3d， (e) Pb 4f，(f) Br 3d，(g) N 1s 高分辨率XPS光谱。(h) 样品的EIS和LSV图。(j) CPB-CN异质结中光生电荷迁移示意图。

图4. (a) 粉末催化剂和MF负载催化剂的CO₂光还原性能。(b)不同g-C₃N₄负载量的MF/CPB-CN复合材料的光催化产物产率和电子消耗率。(c)不同反应条件下MF/CPB-CN-1.5 CO₂还原对照组。(d) MF/CPB-CN-1.5单波长辐照的CO产率和漫反射图。(e) 两种支撑材料在Xe灯连续照射不同时间下的表面温度变化照片(红外相机拍摄)。(f) 水蒸发的质量随光照时间的变化图和蒸发测量装置示意图。(g)不同载体下MF/CPB-CN-1.5的光催化CO₂还原性能。

图5. (a) MF/CPB-CN-1.5的长时间光催化气体产率随辐照时间的变化。(b) MF和MF/CPB-CN-1.5的接触角和红水滴测量。不同溶剂处理MF的 (c) 红水滴测量和(d) SEM图像。(e) MF/CPB-CN-1.5在Xe灯连续照射不同时间下的表面温度变化照片(红外相机拍摄)。(f) MF/CPB-CN-1.5复合材料在不同条件下的XRD谱图和漫反射图像: 新鲜样品，90%湿度环境下保存8 h，55℃加热24 h。

小结

本实验提出了一种三聚氰胺海绵和g-C₃N₄协同作用的策略来修饰铅卤钙钛矿CsPbBr₃，实现了其在液态水环境下高效持久的CO₂光催化还原。本实验结果为加快铅卤钙钛矿在液态高极性溶剂的应用提供了一个新思路。

文献链接

Boosting CsPbBr₃-Driven Superior and Long-Term Photocatalytic CO₂ Reduction under Pure Water Medium: Synergy Effects of Multifunctional Melamine Foam and g-C₃N₄, (Solar RRL, 2021 doi.org/10.1002/solr.202100186).