第一作者：石恒
通讯作者：盛剑平、董帆
通讯单位：电子科技大学基础与前沿研究院/资源与环境学院
论文DOI：10.1021/acscatal.4c01968
金属卤化物钙钛矿量子点以其独特的光电特性而闻名，并在光催化还原CO
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还原领域引起了极大的关注。然而，由于传统的零维量子点高度的空间限域特征会导致光生载流子严重复合，从而产生不利影响。因此本团队提出了一种维度调控的有效策略，通过释放零维量子点中的一个维度，促进钙钛矿纳米晶中光生载流子的分离与传输，最终实现了在最佳的纳米线长度下一维CsPbBr
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纳米线比零维量子点的光催化CO
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还原性能提升了7倍。
半导体光催化CO
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还原作为一种绿色可持续的技术在环境与能源催化领域具有广阔前景，其中金属卤化物钙钛矿量子点催化剂因其优异的光物理性质在光催化领域备受关注。然而，传统的零维量子点因为其高度的空间限域效应使得光生载流子复合严重。CO
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还原作为一个典型的多电子耦合质子转移的反应（例如CO
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转化为CO需要消耗2e
-
与2H
+
），因此高效的光生载流子的分离对这类反应显得尤为重要。与零维的量子点材料不同，一维纳米线可以在保留量子限域效应带来的一些独特优势的同时，通过释放空间上的一个维度，为光生载流子的分离与传输创造有利的条件，有望实现光催化性能的提升。
1. 制备了一系列长径比可调的CsPbBr
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纳米线，在特定长度下纳米线的光催化CO
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还原性能达到最佳。
2. 通过超快光谱与原位表征技术揭示了维度控制光催化性能的机制，包括维度控制影响的俄歇复合以及载流子在纳米线中的传输行为。
通过TEM/XRD/XPS表征证明了CsPbBr
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量子点与纳米线的成功制备，且二者之间除了长径比外，成分以及晶体结构均无明显差异。
光催化CO
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还原性能评价结果表明纳米线的催化效果均要高于普通的量子点。其中当纳米线的长度在670 nm左右时性能达到最佳，当纳米线的长度继续增加时催化性能则开始下降。
瞬态吸收光谱的结果表明纳米线上的缺陷捕获过程速度更快，但后续的自由载流子/激子复合过程寿命更长，且寿命最长的缺陷相关的辐射/非辐射复合过程在纳米线上也要长于量子点。
激发强度相关的瞬态吸收光谱分析表明纳米线上第二长的时间成分（τ
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）的寿命在不同的激发强度下均要长于量子点，这说明了俄歇复合过程在纳米线上被延缓。另外，有趣的是在长的时间尺度上（>2 ns）纳米线的瞬态吸收光谱出现了明显的斯塔克效应，这可能是由于缺陷捕获形成的内建电场导致的能带结构的变化，然而这一现象却并未出现在量子点上。这说明了缺陷辅助的电荷分离过程以及纳米线上独特的缺陷辅助的载流子传输特点。
通过原位红外证明了量子点与纳米线上光催化CO
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还原的过程都是复合典型的CO
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→
•CO
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−
→ *COOH → *CO →CO过程，二者的区别仅在于反应速率上的差别，这也说明了量子点与纳米线光催化性能的差异主要来源于载流子分离能力的变化。
本研究合成了一维CsPbBr
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纳米线，并将其应用于光催化二氧化碳还原。在最佳长度条件下，该纳米线具有最佳的选择性生成CO的效率，是传统CsPbBr
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纳米晶的7倍。通过对催化剂的量子光物理性质和载流子动力学的研究，其光催化性能的提高可归因于一维形貌导致的俄歇复合速率的降低和缺陷诱导的电荷分离和长程传输。这项工作为调控钙钛矿纳米晶体的尺寸提供了新的见解，旨在调节激子解离，增强电荷载流子的分离和长程传输，最终促进高效的光催化CO
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还原。此外，本研究有助于更深入地理解和指导多电子参与的光催化反应，以及其他一维纳米结构光催化剂的尺寸调节影响量子光电子特性的普遍原理。
Heng Shi, Huiyu Liu, Chenyu Du, Fengyi Zhong, Ye He, Vitaliy P.
Guro, Ying Zhou, Jianping Sheng*, and Fan Dong*, ACS Catalysis, 2024, 14,
11617−11625.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c01968
通讯作者：董帆，电子科技大学教授，博士生导师。
国家杰出青年科学基金获得者（2022年），国家优秀青年科学基金获得者（2018年），国务院特殊津贴专家（2019年），四川省杰出青年基金获得者（2020年）；连续5年入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单（2018-2022年）；四川省杰出青年科学技术创新奖（2013年），中国环境科学学会青年科学家金奖（2020年），获得省部级自然科学奖一等奖2项和二等奖5项。主持国家自然科学基金项目7项、国家重点研发计划课题2项和省级重点重大项目2项。以通讯作者在
Nat. Commun., PNAS, Angew.
Chem., ACS Nano, ACS Catal., ACS Sens., Environ. Sci. Technol., Sci. Bull.
等国际期刊上发表学术论文200余篇。所有论文被SCI引用3.7万次，50篇论文入选ESI高被引/热点论文，H指数为103。担任
Chinese
Chemical Letters
副主编，
Environmental Functional
Materials
创刊副主编，
Sci. Bull.、ACS ES&T Eng.、Chin. J. Catal.
等多本SCI期刊的编委。
通讯作者：盛剑平，电子科技大学资源与环境学院，副研究员，硕士生导师
。研究方向包括环境与能源催化、二氧化碳转化等方面的研究。主持国家自然科学基金项目1项、国家重点研发计划子课题1项、中国博士后科学基金面上项目1项、以及四川省科技创新创业苗子工程重点项目1项，中国气象局气候资源经济转化重点项目1项。在
PNAS, Science Bulletin, ACS Nano, ACS Catalysis, Applied Catalysis B: Environmental, Small, Analytical Chemistry
等学术期刊上发表论文60余篇，ESI高被引论文8篇，总被引4300余次，H因子32。2023年获第二届中国研究生“双碳”创新与创意大赛全国一等奖与优秀指导教师奖、博士学位论文荣获国家一级学会“中国有色金属学会”颁发的全国《2020NFSOC优秀博士学位论文奖》。担任SCI一区期刊《
Chinese Chemical Letters
》编委、SCI期刊《
Frontiers in Chemistry
》光催化与光化学方向副主编、以及中国科协“卓越行动计划”高起点新刊《
Green
Carbon
》青年编委。
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