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澳门大学
通过简便的溶液法制备了一种新型的自组装双钙钛矿/MXene异质结构 。
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MXene纳米片的存在有效地将电荷载流子寿命延长了两倍 。
【自组装无铅双钙钛矿-MXene异质结构具有高效电荷分离用于光催化CO2还原】?
Cs2AgBiBr6/MXene异质结构实现了光催化CO2还原的高电子消耗产率 。
抽象的
具有优异稳定性的无铅双钙钛矿被认为是光催化中含铅对应物的有前途的无毒替代品 。 然而 , 严重的电荷复合极大地限制了它们作为高性能光催化剂的潜力 。 在此 , 我们首次通过相互静电吸引在MXene纳米片表面展示了无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6纳米晶体(NCs)的自组装异质结构 。 MXene纳米片的存在通过降低激子结合能有效地促进了Cs2AgBiBr6 NCs中自由电荷载流子的形成 。 此外 , 从Cs2AgBiBr6到MXene的超快光生电子转移(时间尺度为1.1 ps)在很大程度上将电荷载流子的寿命延长了两倍 。 由于有效的电荷分离和电子提取 , Cs2AgBiBr6/MXene异质结构实现了50.6 μmol g-1h-1的高光电子消耗产率 , 用于光催化CO2还原 , 超过了之前报道的大多数无铅钙钛矿基催化剂 。
关键词
双钙钛矿纳米晶体
MXene纳米片
异质结构
电荷转移
光催化
一、简介
采用简便的溶液法制备的卤化铅钙钛矿纳米晶体(NCs)由于结合了具有高消光系数的宽吸收带、高亮度、窄带发射和可调带隙等有吸引力的特性 , 在光电子学中表现出非凡的性能 。 最近 , 钙钛矿NC已成为光催化CO2还原的新潜在候选者 , 可将CO2直接转化为增值燃料和化学品 , 这可能有助于解决能源短缺和环境问题 。 然而 , 含铅钙钛矿NCs的毒性问题极大地限制了它们作为高性能光催化剂的实际应用 。 为了减轻铅元素的毒性 , 已经报道了用无毒金属离子如Sn2+和Mn2+替代钙钛矿结构中的Pb2+的无铅钙钛矿 。 不幸的是 , 当暴露在空气中时 , Sn基钙钛矿会遭受Sn从+ 2到+ 4状态的快速氧化 。 虽然二价阳离子Mn2+很稳定 , 可以很容易地掺杂到钙钛矿结构中的Pb2+位点 , 但无法实现Pb2+的完全替代 。
最近 , 通过用一个单价M+和一个三价M'代替Pb2+阳离子获得了无铅双钙钛矿A2MM'X6 (A = Cs; M = Ag Na; M' = Bi In; X = Cl Br I) 3+阳离子交替引起了强烈的科学兴趣 。 与含铅对应物相比 , 这类化合物往往对热、光和湿气更稳定 。 具有出色稳定性的结构和功能多样性使双钙钛矿在光电子学和光催化中有望成为无毒的候选者 。 其中 , 全无机双钙钛矿Cs2AgBiBr6由于其优异的稳定性和1.8-2.2 eV的合适带隙 , 在光催化CO2还原和H2释放方面具有潜力 。 然而 , Cs2AgBiBr6具有较大的激子结合能 , 不利于电荷分离 , 从而限制了光催化反应的性能 。 例如 , Zhou等人证明了在CO2还原反应中使用Cs2AgBiBr6 NCs作为光催化剂 , 电子消耗为17.5 μmol g-1 h-1 。 尽管最近的工作表明可以通过形态工程策略提高光活性 , 但结果仍远不能令人满意 。
作为二维材料家族的新成员 , 过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物 , 即MXene , 引起了广泛的研究关注 。 MXene的通式为Mn+1XnTX , 其中M为早期过渡金属 , X代表碳和/或氮 , TX代表表面基团 。 得益于其良好的导电性、高电容、高弹性模量和可调带隙 , MXenes在电容器、离子电池、场效应晶体管和电磁干扰屏蔽等多种应用中显示出潜力 。 然而 , 这些原子薄的二维纳米片通常具有有限的光吸收能力 。 因此 , 用Cs2AgBiBr6 NCs装饰MXene可以通过利用钙钛矿NCs的优异光学性能在很大程度上提高光吸收 。 此外 , 具有良好电子转移性能的MXene有望促进Cs2AgBiBr6 NCs的电荷分离和传输 。 此外 , 具有大比表面积和丰富活性位点的二维MXene纳米片可以显着提高催化反应的性能 。
在这项工作中 , 无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6 NCs首次通过简便的溶液法在少层MXene纳米片表面自组装 。 仔细表征了Cs2AgBiBr6/MXene异质结构的微观结构、形态和表面化学状态 。 我们的系统实验观察表明 , MXene纳米片的存在有效地促进了Cs2AgBiBr6 NCs中自由电荷载流子的形成 。 从Cs2AgBiBr6到MXene的有效光电子转移导致形成长寿命的电荷分离状态 。 利用协同特性 , Cs2AgBiBr6/MXene异质结构实现了50.6 μmol g-1h-1的高光电子消耗产率 , 用于光催化 CO2还原 , 分别比原始Cs2AgBiBr6和 Ti3C2TX高98.4%和148.0% 。
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