青島農大師進生教授等在Solar RRL報道了“協同效應”實現高效持久的光催化CO2還原

引言

近年來，全無機鹵素鈣鈦礦CsPbBr₃因其光致發光效率高、光吸收范圍寬、消光系數大、光生載流子壽命長等優異的光電特性而在光催化領域受到廣泛關注。然而，鉛鹵鈣鈦礦很不穩定，在液態水等極性較大的溶劑中會發生分解，從而失去光催化活性，嚴重限制了其應用范圍。此外，由于其電子-空穴對的嚴重重組和活性位點的缺乏，單獨的CsPbBr₃有著較低的光催化活性。因此，實現鉛鹵鈣鈦礦在液態水環境下的應用，提高其光催化性能具有十分重要的意義。

成果簡介

近日，青島農業大學師進生教授、青年教師蘭學芳、馬永超教授（共同通訊）通過簡單的反溶劑法，采用協同效應法，即使用多功能的三聚氰胺海綿 (MF)和g-C₃N₄ 對CsPbBr₃鉛鹵鈣鈦礦進行修飾。研究表明，三聚氰胺海綿的三維結構可以支撐CsPbBr₃，避免其與液態水的直接接觸而發生分解。另一方面，三聚氰胺海綿的多孔性可以加快液態水的蒸發，從而實現CO₂氣體與水蒸氣的充分混合。三聚氰胺海綿的這些功能成功地實現了CsPbBr₃在液態水環境下的CO₂光還原。g-C₃N₄的引入可以加快光生載荷子的轉移效率，實現復合物中電子積累和CO₂吸附位點的統一，從而進一步提高了CsPbBr₃的光催化性能。此外，MF/CsPbBr₃-g-C₃N₄復合光催化劑有著較強的表面疏水性和優異的光熱效應，使其具有長久且穩定的光催化活性。在連續反應76個小時后，目標物的產率沒有明顯下降。相關成果以題為“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)發表在國際著名期刊Solar RRL（IF=7.527）上，研究生陳巧為論文的第一作者。

圖文導讀

圖1. (a) MF/CPB-CN復合材料的制備過程。(b-e) MF負載的催化劑的SEM圖像。(f) MF/CPB-CN-1.5復合材料的SEM及其元素分布圖像。

圖2. 樣品的(a) XRD譜圖，(b) XPS和(c) FTIR光譜。(d) CPB-CN-1.5的HAADF STEM及其元素分布圖像。(e) CsPbBr₃ 和 (f) g-C₃N₄ 粉末的TEM圖像。(g) CPB-CN-1.5的TEM，HR-TEM和SAED圖像。

圖3. (a) CsPbBr₃ (110)和 C₃N₄ (002)平面的靜電勢。灰色、藍色、紫色、深灰色和紅色的球體分別代表C、N、Cs、Pb和Br原子。紅色虛線和藍色虛線分別表示費米能級和真空能級。(b) CPB-CN復合模型及相應電荷差分布，(c) CPB-CN界面的電子位置函數分析(粉色和藍色區域分別表示電子耗盡和積累)。(d) Cs 3d， (e) Pb 4f，(f) Br 3d，(g) N 1s 高分辨率XPS光譜。(h) 樣品的EIS和LSV圖。(j) CPB-CN異質結中光生電荷遷移示意圖。

圖4. (a) 粉末催化劑和MF負載催化劑的CO₂光還原性能。(b)不同g-C₃N₄負載量的MF/CPB-CN復合材料的光催化產物產率和電子消耗率。(c)不同反應條件下MF/CPB-CN-1.5 CO₂還原對照組。(d) MF/CPB-CN-1.5單波長輻照的CO產率和漫反射圖。(e) 兩種支撐材料在Xe燈連續照射不同時間下的表面溫度變化照片(紅外相機拍攝)。(f) 水蒸發的質量隨光照時間的變化圖和蒸發測量裝置示意圖。(g)不同載體下MF/CPB-CN-1.5的光催化CO₂還原性能。

圖5. (a) MF/CPB-CN-1.5的長時間光催化氣體產率隨輻照時間的變化。(b) MF和MF/CPB-CN-1.5的接觸角和紅水滴測量。不同溶劑處理MF的 (c) 紅水滴測量和(d) SEM圖像。(e) MF/CPB-CN-1.5在Xe燈連續照射不同時間下的表面溫度變化照片(紅外相機拍攝)。(f) MF/CPB-CN-1.5復合材料在不同條件下的XRD譜圖和漫反射圖像: 新鮮樣品，90%濕度環境下保存8 h，55℃加熱24 h。

小結

本實驗提出了一種三聚氰胺海綿和g-C₃N₄協同作用的策略來修飾鉛鹵鈣鈦礦CsPbBr₃，實現了其在液態水環境下高效持久的CO₂光催化還原。本實驗結果為加快鉛鹵鈣鈦礦在液態高極性溶劑的應用提供了一個新思路。

文獻鏈接

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).