钙钛矿-MOF协同催化剂助力Li-O₂电池

具有立方系（Pm-3m）晶体结构的卤化铅钙钛矿材料因其在光伏电池和其他光电器件领域内展现出来的卓越性能而引起了人们的持续关注。然而，金属卤化铅钙钛矿的离子型晶体结构会受到光、热、氧等外部条件的影响，导致其稳定性的降低和光电功能的减弱。为了增强钙钛矿材料的稳定性，利用其他主体材料对钙钛矿进行封装可以有效阻止外部条件对钙钛矿的破坏。因此，通过理想主体材料制备空间限域的钙钛矿量子点，更好地控制钙钛矿纳米晶的尺寸并有效地防止其聚集和氧化，成为了材料设计和工业应用的巨大挑战。

2021年8月30日，博士后乔冠宇和博士研究生管德慧为共同第一作者在《Journal of the American Chemical Society》杂志上发表题为“Perovskite Quantum Dots Encapsulated in a Mesoporous Metal–Organic Framework as Synergistic Photocathode Materials”的研究工作。在此工作中，作者将CsPbBr₃纳米晶体封装到具有介孔笼（约5.5和4.2 nm）的稳定铁基金属-有机框架（MOF）中，通过顺序沉积策略获得钙钛矿-MOF复合材料CsPbBr₃@PCN-333(Fe)，其中CsPbBr₃纳米晶体通过MOF笼的限制效应而保持稳定，不会发生聚集或浸出。通过透射电子显微镜（TEM）可以直接观察到CsPbBr₃（4 ~ 5 nm）在MOF晶体内部的单分散纳米晶体，并通过X射线衍射、红外光谱和N₂吸附等表征进一步证实此实验结果。密度泛函理论计算数据表明，CsPbBr₃量子点与PCN-333(Fe)之间存在显著的界面电荷转移过程，这一结果与XPS测试数据相互印证，主客体材料之间的协同关系为高效光电催化提供了坚实基础。在非质子体系中，CsPbBr₃@PCN-333(Fe)复合材料表现出优异且稳定的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）催化活性。此外，CsPbBr₃@PCN-333(Fe)复合材料还可以作为理想的光辅助锂-氧气电池的协同光电正极材料，CsPbBr₃和PCN-333(Fe)分别作为光学天线和ORR/OER催化位点。与单一的CsPbBr₃纳米晶或PCN-333(Fe)相比，CsPbBr₃@PCN-333(Fe)光电正极具有更低的过电位和更好的循环稳定性，突出了复合材料中CsPbBr₃和PCN-333(Fe)之间的协同作用。

J. Am. Chem. Soc.，DOI: 10.1021/jacs.1c05907