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利用清洁的太阳能将CO₂转化为具有更高附加值的化学品是解决能源危机与环境污染,实现可持续发展的理想方案之一。铅基卤化钙钛矿(LHP)由于优异的光电性能,已广泛应用于太阳能电池和发光二极管等高性能光电器件中,近年来被广泛地应用于光催化CO₂还原。然而,铅基卤化钙钛矿稳定性较差,且具有较强的毒性,限制了其在催化领域的商业化应用前景。
Water-Dispersible CsPbBr₃ Perovskite Nanocrystals with Ultra-Stability and its Application in Electrochemical CO₂ Reduction
Keqiang Chen, Kun Qi, Tong Zhou, Tingqiang Yang, Yupeng Zhang*, Zhinan Guo, Chang-Keun Lim, Jiayong Zhang, Igor Žutic , Han Zhang*, Paras N. Prasad*
Nano-Micro Letters (2021)13: 172
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00690-8
本文亮点
1. 水分散性CsPbBr₃纳米晶体在水中表现出超高稳定性(>200天),初始发光强度仅下降20%。
2. 水稳定性的CsPbBr₃纳米晶体显示出高电催化二氧化碳活性(法拉第收率:32% CH₄,40% CO)和稳定性(>350 h)。
内容简介
图文导读
I CsPbBr₃纳米晶体的合成和表征
CsPbBr₃纳米晶体制备如图1所示。
CsPbBr₃纳米晶在正己烷(h-CsPbBr₃)和水(w-CsPbBr₃)中显示出完全相反的分散性。在w-CsPbBr₃的制备过程中,超声处理后水层顶部出现有机层,表明表面有机配体被去除。w-CsPbBr₃的XRD谱图呈现出CsPbBr₃立方相,表明在w-CsPbBr₃的CsBr具有优异的水溶性。TEM图像表明w-CsPbBr₃具有均匀的尺寸分布、规则的相貌和良好的结晶。紫外可见和PL光谱结果表明,h-CsPbBr₃纳米晶的吸收起始波长和PL峰分别位于519和514 nm处,低于w-CsPbBr₃纳米晶(521和516 nm)。
时间分辨PL光谱结果显示,w-CsPbBr₃纳米晶比h-CsPbBr₃纳米晶具有更长的PL寿命,表明w-CsPbBr₃纳米晶具有低的表面缺陷浓度,这是由于水中的Cs⁺和Br⁻离子引起的表面钝化效应。此外,老化200天的w-CsPbBr₃纳米晶的PL寿命为9.90 ns,接近初始值(10.27 ns),而h-CsPbBr₃纳米晶的PL寿命显著降低到2.92 ns,这进一步揭示了w-CsPbBr₃纳米晶具有更低的表面缺陷浓度和更高的稳定性。
图3. 新鲜制备(a)和老化200天(b)的h-CsPbBr₃和w-CsPbBr₃纳米晶的TRPL光谱;(c) h-CsPbBr₃和w-CsPbBr₃纳米晶的PL稳定性;(d) CsPbBr₃纳米晶表面钝化示意图。
II CsPbBr₃纳米晶水稳定机制
通过计算吸附H₂O分子后CsPbBr₃的晶体结构畸变和电荷重新分布,以阐明CsBr诱导w-CsPbBr₃纳米晶的水稳定性的机制。计算结果表明,CsBr钝化结构没有发现显著变化,表明CsBr钝化结构非常稳定。这些结果进一步表明,CsBr盐对w-CsPbBr₃纳米晶在水中的超稳定性起着至关重要的作用。
电化学CO₂还原测试结果表明,w-CsPbBr₃纳米晶的主要产物为H₂、CO和CH₄。在-0.7 V 时,H₂大于70%,这表明在此电位下,与CO₂ RR相比,析氢反应为主要反应。电位从-0.8 V开始,CO₂ RR 主要生成CO 和CH₄;在-1.1V 时,反应主要产生CH₄ (32%)和CO (40%)。
图5. w-CsPbBr₃纳米晶的电化学CO₂还原性能。
图6. 理论计算。
IV 结论
本文通过在贫铅环境中采用热注射法制备出水稳定性的CsPbBr₃纳米晶体。与分散在正己烷中的CsPbBr₃纳米晶体相比,所制备的水分散性CsPbBr₃纳米晶体表现出更高的光致发光量子产率(91%)和更低的缺陷浓度。此外,水分散性CsPbBr₃纳米晶体老化200天后,初始PL强度仅下降约20%。首先将CsPbBr₃纳米晶体应用在电化学CO₂还原反应上,表现出高电催化活性和稳定性(>350 h)。这项工作不仅为合成水分散性钙钛矿纳米晶提供了一种有效的方法,而且在电催化方面的应用也显示出极好的潜力。
作者简介
本文通讯作者
主要从事低维材料光电器件与生物光子技术研究,新型光电功能材料与器件。
▍主要研究成果
▍Email: hzhang@szu.edu.cn
本文通讯作者
新型光电功能材料与器件,系统开展了光电功能材料的可控制备及功能调控;光与物质相互作用的精细表征与调控;高性能光电子器件的设计、构建与集成等研究工作。
▍主要研究成果
▍Email: ypzhang@szu.edu.cn
本文通讯作者
激光、光子学和生物光子学:纳米结构光子材料的制备、加工和理论建模;非线性光学过程。
▍主要研究成果
▍Email: pnprasad@bufalo.edu
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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