通訊單位：澳大利亞Griffith University、華東理工大學(xué)1. 可控合成高質(zhì)量鈣鈦礦微晶和復(fù)合材料。2. 基于鈣鈦礦微晶的光催化劑具有Type-II型異質(zhì)結(jié)，并具有很強的內(nèi)置電場。3. 該光催化劑有利于電荷分離，促進分解產(chǎn)氫。太陽能光催化制氫是清潔能源高效利用之重要途徑，其核心是設(shè)計制備高效光催化劑。在光催化劑內(nèi)合理構(gòu)建穩(wěn)定內(nèi)建電場，從而有效分離光生電子和空穴，被認為是提高光催化劑性能的最有效策略之一。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體電荷擴散距離較短，迫使人們使用納米尺度光催化劑。雖然納米尺度光催化劑具有較高活性表面，但其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，更重要的是難于定義、確立和表征其氧化/還原反應(yīng)位點空間分布及對應(yīng)內(nèi)建電場分布，導(dǎo)致高性能光催化劑設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，具有可確認空間分布的氧化/還原反應(yīng)位點及對應(yīng)內(nèi)建電場分布的微米尺度催化劑，將為研究理性構(gòu)建內(nèi)電場提高催化劑性能提供有效模型。近年來，因其高吸光能力、合適能帶結(jié)構(gòu)及超長電荷擴散距離，金屬鹵化物鈣鈦礦作為新型催化材料在光催化領(lǐng)域嶄露頭角。鈣鈦礦材料特性非常適合用于構(gòu)建具有明確空間位置及分布的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的微米尺度單晶，從而實現(xiàn)精確表征內(nèi)建電場分布及構(gòu)效關(guān)系，為合理設(shè)計光催化劑內(nèi)建電場實現(xiàn)高效光催化制氫開辟一個有效途徑。有鑒于此，澳大利亞Griffith University趙惠軍教授和尹華杰博士，以及華東理工大學(xué)楊化桂教授提出并實現(xiàn)了可見光驅(qū)動“微晶光電解池”概念：設(shè)計、合成了基于單層MoS2微米片/MAPbI3微米單晶（ML-MoS2/MAPbI3-MC）的“微晶光電解池”。
圖1. ML-MoS2/MAPbI3-MC主要表征。要點1：Type-II異質(zhì)結(jié)光催化劑在可見光照射下，這種由微米尺度典型電化學(xué)產(chǎn)氫催化劑(MoS2)與高效光吸收材料（MAPbI3）形成的Type-II異質(zhì)結(jié)具有很強的內(nèi)電場，可高效驅(qū)動氫碘酸分解產(chǎn)氫。快速重結(jié)晶法被用于制備尺寸分布均一的高質(zhì)量ML-MoS2/MAPbI3-MC（圖1），ML-MoS2緊密插嵌在MAPbI3菱形十二面體單晶表面。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測試結(jié)果顯示光照下電子在ML-MoS2表面聚集產(chǎn)生-300 mV左右光電壓，與此同時空穴在MAPbI3-MC表面聚集產(chǎn)生+100 mV左右光電壓（圖2），表明ML-MoS2與MAPbI3-MC之間具有約400 mV可用于促進光生電荷分離、轉(zhuǎn)移的固有電壓差（內(nèi)建電場）， 從而實現(xiàn)高效氫碘酸分解產(chǎn)氫。
圖2. ML-MoS2/MAPbI3-MC的表面光電壓分布。可見光氫碘酸光分解產(chǎn)氫實驗結(jié)果表明，ML-MoS2/MAPbI3-MC具有優(yōu)異催化產(chǎn)氫活性及穩(wěn)定性（圖3），其產(chǎn)氫活性、太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率（STH）以及450 nm下表觀量子效率分別高達13.6±1.2 mmol gCat?1 h?1、1.09%和11.6%，且連續(xù)反應(yīng)200 h后催化劑產(chǎn)氫活性無明顯下降。該“微晶光電解池”可見光產(chǎn)氫活性比單獨MAPbI3微米單晶及MAPbI3-鉑復(fù)合體系活性分別高出220和23倍。另外，該體系在戶外自然光照下產(chǎn)氫活性可達83-103 mL day?1。共聚焦顯微鏡原位觀測顯示氫氣氣泡選擇性逸出于ML-MoS2表面，證明了ML-MoS2的陰極功能。因此，在“微晶光電解池”中，MAPbI3微米單晶表面和單層MoS2納米片分別作為微陽極和微陰極，在可見光驅(qū)動下高效“電解”氫碘酸。ML-MoS2的高HER活性保證了氫碘酸“電解”可以高效進行。該研究還發(fā)現(xiàn)單層WS2亦可作為微陰極起到類似增進作用。此外，ML-MoS2與其它類型鈣鈦礦微米單晶，如：δ-FAPbI3-MCs、MASnI3-MCs和MA3Bi2I9-MCs構(gòu)成的Type-II型異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)氫活性較其對應(yīng)純相鈣鈦礦都有顯著地提高。
該研究為太陽能驅(qū)動光催化制氫催化劑，尤其是微米尺度催化劑設(shè)計、合成提供了一個有效策略。
趙惠軍教授是Griffith University清潔環(huán)境與能源中心創(chuàng)立者、英國皇家化學(xué)學(xué)會及澳大利亞皇家化學(xué)會會士、R.H. Stokes電化學(xué)獎?wù)碌墨@得者，主要從事能源、環(huán)境納米材料、水源控制管理系統(tǒng)、野外環(huán)境傳感技術(shù)及水環(huán)境質(zhì)量評估方面研究。目前的研究方向之一是探索提高非貴重材料催化能力的新方法并用于重要催化反應(yīng)。已發(fā)表了450余篇期刊論文、引用28900余次，并被Clarivate Analytics列為高引作者。趙惠軍教授獲得8項全球?qū)＠⑶页晒崿F(xiàn)商業(yè)化。楊化桂教授，華東理工大學(xué)教授、博導(dǎo)、國家杰出青年基金獲得者、霍尼韋爾學(xué)者、教育部新世紀優(yōu)秀人才、上海市自然科學(xué)牡丹獎、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、上海市東方學(xué)者特聘教授、上海市曙光學(xué)者，主要圍繞太陽能轉(zhuǎn)換與存儲開展清潔能源領(lǐng)域關(guān)鍵功能材料（催化劑）及器件的理論設(shè)計、制備組裝和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。主持承擔(dān)多項國家自然科學(xué)基金項目、上海市教委科研創(chuàng)新計劃重大項目、上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目等，參與完成并獲教育部自然科學(xué)獎一等獎1項、二等獎1項、上海市自然科學(xué)獎一等獎。在Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文200余篇，被SCI引用20000余次，是愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學(xué)者（Most Cited Chinese Researchers）。尹華杰博士，2015年博士畢業(yè)于國家納米科學(xué)中心和清華大學(xué)，師從唐智勇教授和朱永法教授。2015年至今在澳大利亞格里菲斯大學(xué)（Griffith University）趙惠軍教授課題組從事博士后研究工作。研究領(lǐng)域主要集中于功能納米材料、二維材料精準可控合成；地球豐量小分子轉(zhuǎn)換制備高附加值產(chǎn)物的新興光、電化學(xué)反應(yīng)；大面積高效電極材料的低成本大規(guī)模制備方法。在Chem. Soc. Rev., Nat. Energy, Nat. Commun., Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊共發(fā)表SCI論文50余篇，被SCI引用5600余次。
