同济大学徐晓翔教授团队EMA：非贵金属助催化剂Mo2C助力MAPbI3可见光光催化析氢

摘要

卤化物钙钛矿具有优异的光电性能，是一种很有前景的光催化析氢材料。然而，由于缺乏合适的表面反应位点，卤化物钙钛矿通常难以充分发挥其析氢性能。近日，同济大学徐晓翔教授团队通过将Mo₂C纳米颗粒作为非贵金属助催化剂锚定在甲基铵碘化铅（MAPbI₃）上，实现了可见光下的高效析氢反应，表观量子产率在600纳米处达到12.65%。

研究背景

卤化物钙钛矿作为析氢反应的光催化剂受到了广泛的关注，这归因于它们优异的可见光吸收能力和较高电荷迁移率。虽然卤化物钙钛矿具有许多优秀的光电特性，它们的表面通常缺乏合适的反应位点，导致光生电荷在表面的转移比较困难，需要在表面构建合适的助催化剂，如铂颗粒，来促进表面反应的进行。但是，稳定卤化物钙钛矿所需的极端酸性环境限制了析氢助催化剂的选择。

最近，一些非贵金属基助催化剂作为贵金属助催化剂的替代品受到了广泛关注。然而，由于结构失配，它们与卤化物钙钛矿的结合力通常非常弱，无法保证光生电荷在卤化物钙钛矿和助催化剂之间的快速迁移。Mo₂C作为一种低成本的析氢电催化剂，可以在较宽的pH范围内表现出优异的电催化析氢活性，尤其是在强酸中表现出良好的稳定性，使其成为卤化物钙钛矿的一种潜在的光催化析氢助催化剂。

研究进展

在该研究中，作者通过静电组装法成功地将Mo₂C纳米颗粒负载到MAPbI₃上，制备了Mo₂C@MAPbI₃复合材料。研究表明Mo₂C和MAPbI₃之间存在强关联。这种强烈的相互作用对于跨界面的电荷迁移非常有益，并且非常适合光催化反应。

图1. Mo₂C@MAPbI₃的产氢示意图

通过比较它们在可见光（λ ≥ 420 nm）照射下在MAPbI₃饱和HI/H₃PO2溶液中的制氢速率来评估样品的光催化活性。在所有Mo₂C@MAPbI₃复合材料中，10% Mo₂C@MAPbI₃表现出最高的产氢活性（1054 μmol g^-1 h^-1），是原始MAPbI₃（16 μmol g^-1 h^-1）的近66倍。值得注意的是，在相同条件下，原始Mo₂C完全不产氢，这表明Mo₂C作为促进水还原反应的助催化剂。此外，10% Mo₂C@MAPbI₃在所有测量点均保持较高的表观量子效率，验证了其高效的光催化活性。在连续测试六个周期后，样品仍能保持其大部分初始活性，证实了其良好的析氢稳定性。光电化学分析结果进一步表明，Mo₂C作为MAPbI₃的良好助催化剂，不仅可以加速MAPbI₃主体中的电荷分离，还可以促进MAPbI₃表面的电荷转移。

图2. Mo₂C、MAPbI₃和Mo₂C@MAPbI₃的光催化性能

研究展望

在制备的Mo₂C@MAPbI₃复合材料中，Mo₂C纳米颗粒均匀且牢固地锚定在MAPbI₃的表面。由于Mo₂C和MAPbI₃之间强烈的相互连接，Mo₂C@MAPbI₃复合材料表现出优异的光催化活性。这些研究进展进一步说明，助催化剂与光催化剂之间的相互作用是提升材料性能的关键因素。如何更好地加强助催化剂与光催化剂间的结合作用可以作为进一步研究的切入点。

作者简介

通讯作者

徐晓翔，同济大学化学科学与工程学院教授。2010年获得圣安德鲁斯大学博士学位。2010年至2013年在圣安德鲁斯大学从事博士后研究，2011年赴美国加州理工学院从事访问学者工作，2014年入选国家高层次青年人才计划，同年入职同济大学化学科学与工程学院。研究方向包括光催化材料、环境修复、质子导体和燃料电池等。曾主持国家和省部级项目7项，累计在Nat. Mater., Adv. Mater.，Adv. Sci. ACS Nano, ACS Catal., Nano Energy等期刊发表SCI论文110余篇，获得美国发明专利授权1项，中国发明专利授权10余项。

原文链接

https://doi.org/10.34133/2022/9836095

How to Cite this Article：

Jinxing Yu, Xiaoxiang Xu, "Expediting H₂ Evolution over MAPbI₃ with a Nonnoble Metal Cocatalyst Mo₂C under Visible Light", Energy Material Advances, 2022, 2022, 9836095.

该文为Energy Material Advances——

面向氢能的前沿纳米材料专刊邀请稿件

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2022年8月31日

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