Advanced Functional Materials:平衡之美 ——表面配体助力钙钛矿量子点光催化产氢

太阳和海洋蕴藏着地球生命的起源,随着人类长久以来的探索逐渐揭开谜底。随着人类社会的发展,目前面临着巨大的能源和可持续发展的危机。为了寻找清洁、可持续发展能源,人类将目光重新锁定到生命的源头——光和水。光催化分解水,光催化剂在太阳光的照射下将水分解成氢气和氧气,其中氢气可用作清洁能源,消耗以后的产物仍旧是水。在光催化剂的辅助下,将太阳能转化为清洁、可存储及运输的氢能,用于供应工业生产和日常生活的能源需求,有望替代日益枯竭的化石能源,解除能源危机。

光催化分解水的三要素是太阳光,水和光催化剂,其中太阳光和水来自于大自然的馈赠,而光催化决定了太阳光到氢能的转化效率,是科学家们正在努力攻克的难题。近年来,卤化物钙钛矿材料在光伏领域取得了一系列突破,掀起了在各领域应用研究的热潮。基于独特的化学组分和晶体结构,卤化物钙钛矿材料具备多种卓越的光电性质,例如高的光吸收系数,低的激子结合能,长的载流子寿命和扩散长度(〜1μm),表明其在光催化分解水应用中的巨大潜力。然而,卤化物钙钛矿在水中的稳定性问题成为限制其在光催化分解水应用中的一大难题。

澳大利亚昆士兰大学化工学院王连洲教授课题组的肖慕,郝萌萌和吕妙强(共同一作)将钙钛矿CsPbBr3量子点用于光催化分解水,取得了稳定而高效的光催化产氢性能。不同于将钙钛矿材料包裹起来或者放入某些特殊溶剂进行保护,他们将CsPbBr3 量子点用于气相的光催化产氢反应。众所周知,量子点表面通常附着有油胺和油酸基团作为保护层,即表面配体。这些表面配体一方面保护钙钛矿量子点,使得其在一定湿度环境下稳定存在;另一方面作为高阻材料,阻碍了量子点内部光生载流子向外传输。通过定量研究表面配体对钙钛矿量子点的光电性质和光催化性能的影响,他们发现一定量的表面配体既可以维持量子点在水蒸气中的稳定性,同时又可以实现量子点表面有效的电荷传输,从而取得稳定性和光催化效率的平衡。

研究者相信,此项研究阐明了表面性质对于胶体量子点材料在光催化应用中的重要作用。同时,目前的工作为有效地将卤化物钙钛矿材料应用于光催化反应开辟了新途径。该项工作以“Surface Ligands Stabilized Lead Halide Perovskite Quantum Dot Photocatalyst for Visible Light‐Driven Hydrogen Generation”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201905683)上。