构建全零维CsPbBr3/CdSe异质结以实现高效光催化还原二氧化碳

龚秀教授、张文华教授，JMCA研究：构建全零维CsPbBr3/CdSe异质结以实现高效光催化还原二氧化碳

【文章信息】

构建全零维CsPbBr3/CdSe异质结以实现高效光催化还原二氧化碳

第一作者：殷桂林

通讯作者：龚秀*，王擎龙*，张文华*

单位：贵州大学，河南大学，云南大学

【研究背景】

21世纪以来，化石燃料的过度使用造成了严重的能源危机和环境问题，利用太阳能将二氧化碳（CO2）转化为有价值的清洁能源，被认为是解决能源危机和环境问题（降低CO2浓度）最有前途的策略之一。然而，快速的载流子重组、催化剂活性低是光催化二氧化碳还原（CO2RR）的主要挑战。

CsPbBr3是一种典型的卤化物钙钛矿材料，由于其优异的光发射范围窄、高光致发光量子产率和可调谐带隙，在光电应用领域引起了重要的科学兴趣，CsPbBr3成为高效光催化的潜在候选材料。但是，在CO2RR中由于电荷重组、缺乏活性位点和稳定性不足，使得单独的CsPbBr3量子点催化活性逐渐降低。在以往的研究中，采用多种催化剂与CsPbBr3量子点结合弥补了自身的缺点，从而进一步提高催化性能和稳定性。

本工作通过在CsPbBr3量子点原位生长CdSe量子点构建0D/0D异质结，独特的0D/0D结构缩短光生电荷的迁移路径，并通过量子点边缘/角位点提供了丰富的活性位点。CsPbBr3与窄带隙CdSe相协调构建全0D结构的II型异质结，有效地增大了光的捕获、激子的产生和二氧化碳的活化。更重要的是，CdSe和CsPbBr3之间通过Pb-Se和Cd-Br键的强界面相互作用，显著提高了CsPbBr3/CdSe之间的电荷转移和结构稳定性，从而大幅度的提高了催化性能和稳定性。

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【文章简介】

近日，来自贵州大学的龚秀教授与河南大学的王擎龙老师和云南大学的张文华教授合作，在国际知名期刊 Journal of Materials Chemistry A上发表题为”Constructing all Zero-dimensional CsPbBr3/CdSe Heterojunction for Highly Efficient Photocatalytic CO2 Reduction”论文。该文章通过在CsPbBr3量子点原位生长CdSe量子点构建0D/0D异质结，独特的0D/0D结构缩短光生电荷的迁移路径，并提供丰富的活性位点。在不使用牺牲剂的情况下，CsPbBr3/CdSe表现出优异的CO2RR性能，约为CsPbBr3的4.6倍。通过理论计算和实验可知CdSe和CsPbBr3之间Pb-Se和Cd-Br键的相互作用有利于电荷的分离和CO2的吸附。

Fig. 1. 光催化还原CO2的机理图

【本文要点】

要点一：利用快速热注射法在CsPbBr3上生长CdSe形成CsPbBr3/CdSe异质结材料

Fig. 2. (a) CsPbBr3/CdSe合成示意图；（b）CsPbBr3/CdSe的TEM图；（c）元素扫描图；（d）CsPbBr3/CdSe高分辨图；（e）CsPbBr3/CdSe和CdSe的XRD图；（f）CsPbBr3、CdSe和CsPbBr3/CdSe的紫外吸收图。

要点二：CsPbBr3/CdSe界面Pb-Se, Cd-Br键促进电荷分离和催化性能及稳定性

Fig. 3. （a）荧光光谱；（b）瞬态荧光光谱；（c）各样品的产量；（d）CsPbBr3/CdSe的循环稳定性；（e）电化学阻抗谱；（f）催化剂的光电流响应光谱。

要点三：CsPbBr3/CdSe界面键的形成和还原机理探究

Fig. 4. (a) CsPbBr3/CdSe 电子局域函数图谱；（b）CsPbBr3/CdSe差分电荷密度; （c）和（d）催化剂的原位红外光谱。

要点四：CsPbBr3/CdSe异质结反应机理和电荷转移路径

Fig. 5. 电荷转移路径和反应机理图

【文章链接】

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/TA/D2TA05186A?page=search

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【通讯作者简介】

龚秀教授简介：2020年博士毕业于华中科技大学武汉光电国家研究中心，师从华中科技大学武汉光电国家研究中心王鸣魁教授。2020年加入贵州大学，现为贵州大学物理学院凝聚态物理专业研究生导师。长期从事半导体光电材料与器件、光电催化材料设计与应用研究、钙钛矿太阳能电池。以第一作者或者通讯作者身份在Science Advances., Advanced Functional Materials., Nano letters., ACS Nano., J. Mater, Chem. A.,等国际期刊上发表多篇高水平研究论文。

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王擎龙老师简介：2016年6月毕业于河南大学纳米材料工程研究中心，获得理学硕士学位；2016.07-2017.05，在中国科学院化学研究所做项目聘用；2017.09-2020.06就读于华中科技大学武汉光电国家研究中心，获得工学博士学位；2021.09——至今：就职于河南大学纳米材料工程研究中心。研究方向主要为光/电催化中纳米材料的合成及其催化还原CO2的研究。以第一作者在Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Applied Surface Science等国际期刊发表高水平文章。

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张文华教授简介：学习经历：1993年：南京理工大学化学工程学士；1997年：中国科技大学无机化学硕士；2000年：中科院上海硅酸盐研究所，材料学博士；主要工作经历：2007.10——20015.10：中国科学院大连化学物理研究所；2015.11——2021.08：中国工程物理研究院（成都）；2021.09——至今：云南大学材料与能源学院；人才计划与荣誉2004年：德国洪堡学者； 2009年：中科院百人计划；2016年：四川省千人计划领军人才；2021年：云南大学高层次引进人才（第二层次）学术兼职：2021年：中国可再生能源学会光伏专委会委员（理事）；2018年：中国材料研究学会太阳能材料专委会副秘书长；2016年：《Journal of Energy Chemistry》执行编委；

张文华教授的主要研究方向是钙钛矿太阳能电池、电催化材料与光伏电解水制氢；在Energy & Environmental., Science Advanced Materials., Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Functional Materials., Advanced Materials., J．Am. Chem. Soc., 等国际期刊发表了许多高水平文章。

【第一作者介绍】

殷桂林，2020年毕业于沈阳工业大学，获得学士学位。现为贵州大学物理学院硕士研究生。主要从事光催化半导体转化方向和钙钛矿太阳能电池方向。