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黄瀚林/邹志刚/王雪娇ACS Energy Letters:构建窄带隙Cs4CuSb2Cl12,实现全光谱光热驱动氨硼烷产氢

光热转换过程是自然界最基本的能量转换转换过程之一,也是植物、动物和人类获取太阳能的重要途径。太阳辐射的能量包含不同波长的光子,为了实现特定的应用,必须将其转换成其他形式的能量。光热材料能够有效地吸收光子并将其转化为热量,为海水淡化、疾病治疗和催化转化等重要过程提供必要的能量。

在过去的几十年中,已经开发了一系列先进的光热材料。然而,现有的光热材料仍然存在基于局部表面等离子共振的金属吸收范围有限,以及精确控制尺寸和形态困难等问题。传统的半导体氧化物/硫化物只能吸收紫外线和部分可见光,这受到它们的宽禁带的限制,而且吸收的光子很容易转化为荧光;有机物料在高温下不稳定,容易分解,而碳材料在加工过程中表现出不理想的相容性。因此,探索新型、稳定、高效的光热材料具有重要意义。

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近日,福州大学黄瀚林南京大学邹志刚福建师范大学王雪娇等采用简单的液相法合成了Cs4CuSb2Cl12无铅、全无机、双卤化物钙钛矿衍生物,该衍生物具有本征窄带隙(约1.0 eV)和宽吸收范围,表现出高达93.4%的太阳能-热能转换效率。氨硼烷是一种氢含量为19.6 wt%的储氢载体,具有良好的光吸收性能、较低的热导率和较高的光热转换效率的Cs4CuSb2Cl12被成功地用作驱动氨硼烷脱氢的光热材料。

具体而言,研究人员成功地实现了室温下的快速光热活化产氢,在30分钟内释放出13.0 wt% (2.0 equiv)的氢气;同时,Cs4CuSb2Cl12的高热稳定性使其具有良好的可回收性能,光热活化效率高达12.2%。

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此外,研究人员也分析了利用卤化物钙钛矿作为光驱动制氢的光热材料的实际前景。结果显示,Cs4CuSb2Cl12卤化物钙钛矿具有较窄的禁带宽度,因而具有较宽的光谱吸收,几乎所有的紫外线(UV)和可见光(Vis)以及部分近红外线(NIR)光都可以被吸收,并且光能可以通过热电子/空穴(可能由声学声子散射机制主导)和非辐射复合而不会参与氧化还原反应(光催化)、发射光子(荧光)或产生电流(光电转换)。尽管该过程中会有热量损失,光热转换效率仍超过90%。

总的来说,该项工作对于拓展卤化物钙钛矿材料作为光热转换器的潜在作用具有突破性意义,为这类新兴的光学功能材料开辟了一个新的研究领域。

Narrow-bandgap halide perovskite Cs4CuSb2Cl12 with full-spectrum photothermal conversion. ACS Energy Letters, 2024. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c02218

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