王舜教授、陈亦皇教授，《Advanced Energy Materials》综述：卤化物钙钛矿光(电)催化的崛起- 大数跨境

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王舜教授、陈亦皇教授，《Advanced Energy Materials》综述：卤化物钙钛矿光(电)催化的崛起

科学材料站

2021-05-20

导读：该观点文章分析汇总了现在常用的卤化物钙钛矿材料在不同光（电）催化中的应用及发展趋势。

文章信息

卤化物钙钛矿用于光（光电）催化：维度、异质结与性能

第一作者：潘霜

通讯作者：陈亦皇*，王舜*

单位：温州大学

研究背景

近年来，卤化物钙钛矿材料在光（电）化学催化领域得到了迅速的发展。卤化物钙钛矿材料是以丰富的低成本元素为基础，具有丰富的结构组成和多种分子/形态尺寸。因为钙钛矿材料可以通过分子和组分工程来调节电子性质，与其他光（电）催化材料相比，它们具有许多优点。因此，钙钛矿型光（电）催化剂在过去4-5年的快速发展为各种光（电）化学应用开辟了新的机遇，从光催化有机反应（例如，化学转化、光聚合和降解）到太阳能到化学燃料转化（例如，分解水和二氧化碳还原）。

本综述总结了卤化物钙钛矿型光（电）催化材料的最新应用，重点介绍了它们维度、形貌、合成方法、异质结结构等。系统深入剖析了钙钛矿材料在光催化化学转化、二氧化碳还原、产氢和光电催化领域应用中的作用机制，并对新型钙钛矿材料的结构/维度设计合成、催化性能、稳定性提升方法等科学问题研究提出了展望。

该综述将为从事金属卤化物钙钛矿光（光电）催化研究的科研人员提供参考，加速新一代高性能钙钛矿功能材料开发和应用的进展步伐。

文章简介

近日，来自温州大学的王舜教授与陈亦皇教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Halide Perovskite Materials for Photo(electro)chemical Applications: Dimensionality, Heterojunction and Performance”的综述文章。

该观点文章分析汇总了现在常用的卤化物钙钛矿材料在不同光（电）催化中的应用及发展趋势。

图1. 卤化物钙钛矿材料光（电）催化应用现状及相关进展。

本文要点

要点一：卤化物钙钛矿光催化剂的维度调控

卤化物钙钛矿材料的一个特殊性质是形貌和维度可调性。卤化物钙钛矿具有无机骨架的结构灵活性，使低维钙钛矿的形成具有更高的环境稳定性和可调的维度结构。

另一方面，卤化物钙钛矿的各种纳米形貌结构（如0D纳米颗粒、1D纳米线、2D纳米片）由于其量子限制效应而表现出独特的光电性质，为调节其光（电）催化性能提供了新的途径。

图2. 卤化物钙钛矿材料维度和形貌调控。

要点二：卤化物钙钛矿异质结构建用于提升光（电）催化性能

建构钙钛矿异质结构材料可以有效地促进光生载流子之间的传输，并阻碍电荷复合，从而提高整体催化活性。

显然，通过异质结的构建，进行电荷传输调制，进而提高光催化性能是一种常见策略，主要是由于以下贡献：（i）拓宽了光波长的吸收范围(ii）作为电荷受体/供体，以促进光生载流子的提取和运输；以及（iii）提供更多活性位点等。根据界面能带的排列，目前研究最多的基于卤化物钙钛矿材料的半导体异质结可分为I型、II型、Z型（全固态）和S型。

图3 卤化物钙钛矿的异质结构建。

要点三：现存的困难

当前对钙钛矿光（电）催化的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。从长期使用的角度来看，卤化物钙钛矿型光（电）催化剂面临的第一个也是最大的挑战是，由于卤化物钙钛矿材料的离子性质导致的湿度、热以及UV光照等不稳定性问题。

这一问题在水系光（电）催化体系中尤为突出，严重阻碍了光催化水处理、制氢和光电化学过程。另一方面，从环境角度看，铅的毒性是第二大挑战，因为即使是低剂量的铅也会造成严重的环境和健康问题，无疑阻碍了它的商业应用和卤化铅钙钛矿光电催化剂的制备。

人们迫切需要减少有毒铅元素的使用，但目前无铅钙钛矿仍然存在着效率低下的严重问题。当卤化物钙钛矿材料用于光（电）化学应用时，其较低的光（电）催化性能不能满足未来的实际应用。最后，钙钛矿材料的光吸收、电荷产生、分离和转移的能力很难平衡，因此很难达到高效氧化还原反应和实现高光（电）催化转化。

要点四：前瞻

i）卤化物钙钛矿光电催化材料的维度、纳米结构和组成的精确控制有望为解决上述问题开辟新的途径。首先，分子水平上的维度工程是获得稳定有效的卤化物钙钛矿光电催化剂中一个很有前途的途径。其次，需要深入研究分子结构、纳米结构、电荷迁移率和稳定性之间的关系，以指导高稳定性和高效率卤化物钙钛矿光电催化剂的合理设计。

ii）提高卤化物钙钛矿型纳米材料和光电器件的稳定性。在这方面，有效的封装是一个新兴的研究领域，使得卤化物钙钛矿材料具有优异的光（电）催化性能和优异的稳定性，并且外涂层不应妨碍光（电）催化反应的有效电荷转移。

iii）开发高性能、高性能的无铅卤化物钙钛矿材料，用于各种高性能的光（电）催化应用是非常有必要的。这要求催化剂不仅要高效率、低成本和易于制造，而且在高稳定性和可循环性能。

iv）开发具有增强氧化还原能力的功能卤化物钙钛矿型光催化剂。包括通过组分工程来调节带隙和能级位置，以及构建卤化物钙钛矿异质结抑制高光生电子-空穴复合等手段进一步提升催化性能等。

图4 卤化物钙钛矿光催化剂的应用趋势。

本文链接

“Halide Perovskite Materials for Photo(electro)chemical Applications: Dimensionality, Heterojunction and Performance”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202004002

通讯作者介绍

王舜教授，博士生/硕士生导师，现为温州大学化学与材料工程学院院长。

荣获英国皇家化学会会士、国家百千万人才工程、国家有突出贡献中青年专家，长期致力于面向高效能量储存与转化的碳基和碲基三维超结构纳米材料的原创性设计、制备、多尺度结构与性能关系的基础科学研究和应用探索。以第一/通讯作者发表SCI论文120余篇，其中影响因子> 20的11篇，>10的26篇，高被引论文5篇，包括Nat. Commun.(1篇)、J. Am. Chem. Soc.(2篇)、Adv. Mater.(2篇)、Angew. Chem. Int. Edit.（3篇）、Adv. Energy Mater.(6篇)、Nano Energy(3篇)以及Energy Storage Mater.(1篇)。并应邀为Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A 等撰写综述论文，H因子26。先后获评英国皇家化学会会士、国际电动车锂电池协会(IALB)“杰出研究奖”、教育部自然科学奖二等奖、浙江省科学技术奖一等奖、二等奖、浙江省优秀教师、温州市杰出人才以及温州大学瓯江特聘教授等荣誉。与John Wiley & Sons Inc.公司合作创办学术期刊《Carbon Energy》并担任主编，同时受邀担任《Chinese Chemical Letters》编委。

陈亦皇教授，温州大学高层次引进人才，硕士生导师，美国佐治亚理工学院学院访问学者、博士后研究员。

研制了精准合成聚合物/无机纳米晶功能复合材料的普适策略，系统研究了基于聚合物、无机纳米晶及其表界面的构效关系及协同效应，并探索在酸性燃料电池、可控释放、能量转换与存储等领域的应用前景。近五年在Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.等国际期刊发表论文多篇，包括ESI高被引论文三篇，ESI热点文章一篇，封面五篇，Angew. Chem. Int. Ed.当期VIP文章两篇，Small当月热点文章Top 10一篇，Nanoscale年度热点文章一篇，并被美国自然科学基金新闻NSF news、佐治亚理工学院新闻、Eurekalert、Ecancer、Technology Networks、Science Newsline、Phys.org、Nanowerk、Newswise、BrightSurf等多家科研媒体作为亮点报道。担任塞尔维亚基金委特邀基金评审专家、美国化学会（ACS）会议“表面化学”座谈会分会主席、ACS及MRS Member，以及《Rare Metals》、《Materials》、《Tungsten》、《稀有金属》等学术期刊青年/专题编委。课题组经费充足，热忱欢迎志同道合的博后、博士生、硕士生和本科生来信（yhchen@wzu.edu.cn）与加盟。

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