[Nat. Commun.] 发完JACS 北大郭少军又一顶刊：钙钛矿助力单原子Pt-I3光催化制氢
通讯作者：郭少军教授
通讯单位：北京大学材料科学与工程学院
有机-无机卤化铅钙钛矿是一类新型半导体材料，在光催化制氢方面具有巨大潜力，但其光催化活性低、有机组分不稳定，尤其是铅毒性极大地阻碍了其发展。裂解氢碘酸（HI）在能源科学技术领域具有重要的研究价值。太阳能驱动的HI分裂作为一种有前途的低成本技术，最近吸引了更多的研究兴趣。开发先进的光催化剂对于实现高效的光催化HI分解非常必要，但遗憾的是，报道的光催化剂不能在具有强酸性的HI溶液中稳定工作，这对新材料的选择和光催化剂设计提出了很高的要求。
基于此，北京大学材料科学与工程学院郭少军教授课题组报告了一种抗溶解环境友好的Cs2SnI6/钙钛矿，其负载了一类原子分散的Pt-I3（PtSA/Cs2SnI6），用于在室温下在HI水溶液中实现高效的光催化制氢。结果显示：PtSA/Cs2SnI6中的Cs2SnI6对HI水溶液的耐受性大大增强，这对于在基于钙钛矿的HI分裂系统中实现优异的光催化稳定性非常重要。此外，PtSA/Cs2SnI6催化剂在制氢方面表现出极好的光催化活性，并且具有优异的循环耐久性。结合理论计算的载流子动力学研究表明：PtSA/Cs2SnI6光催化性能的显着提升源于Pt-I3位点独特的配位结构和电子性质，以及强大的金属-载体相互作用效应促进电荷分离和转移，同时也大大降低了制氢的能垒。这项工作为促进钙钛矿复合材料高效产氢的更多研究开辟了一条新途径。
相关工作以“Single-atom Pt-I3 sites on all-inorganic Cs2SnI6 perovskite for efficient photocatalytic hydrogen production”为题发表在Nature Communications上。
图1. Cs2SnI6的能带结构及其在HI水溶液体系中的稳定性：（a）PtSA/Cs2SnI6催化剂制备过程示意图；（b ）Cs2SnI6的SEM图像和（c）PXRD图；（d）Cs2SnI6在不同温度下在HI水溶液中的溶解度，插图显示了6 MHI水溶液在25°C下有和没有Cs2SnI6粉末的照片；（e）不同浓度的HI水溶液中Cs2SnI6粉末沉淀物的PXRD图；（f）Cs2SnI6粉末的紫外-可见吸收光谱，插图是Cs2SnI6的照片；（g）Cs2SnI6的能带示意图，可见光照射下Cs2SnI6上的电荷产生和电荷转移过程。
图2. PtSA/Cs2SnI6的结构表征：PtSA/Cs2SnI6的（a）低倍率和（b）高倍率HAADF-STEM图像，以及相应STEM EDS元素分布；（d）PtSA/Cs2SnI6、PbI2和Pt箔在（e）R空间和（g）k空间的Pt L3-edge XANES光谱和相应的K3加权FT光谱。PtSA/Cs2SnI6的XANES（f）R空间和（h）k空间拟合曲线；（i）PtSA/Cs2SnI6的高分辨率XPS Pt 4f光谱。
图3. 电荷密度分布和吉布斯能量计算：光激发前后的电荷密度差异图：（a）PtNP/Cs2SnI6和（b）PtSA/Cs2SnI6，电荷密度等值面为0.001eÅ-3。插图代表顶视图。黄色区域代表附加电子分布。模型中加入了多余的电子，用于描述光生电子；（c）PtNP/Cs2SnI6和PtSA/Cs2SnI6的PDOS（5d状态），虚线代表费米能级；（d）PtNP/Cs2SnI6和PtSA/Cs2SnI6制氢的计算能量分布。
参考文献：
Peng Zhou, Hui Chen, Yuguang Chao, Qinghua Zhang,Weiyu Zhang, Fan Lv, Lin Gu, Qiang Zhao, Ning Wang, Jinshu Wang, Shaojun Guo, Single-atom Pt-I3 sites on all-inorganic Cs2SnI6 perovskite for efficient photocatalytic hydrogen production, Nat. Commun. 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-24702-8.