自旋极化策略提高了掺锰CsPbBr3材料的光催化氢气生成和甲苯氧化性能

《Materials Today Chemistry》：Spin-polarization strategy enhanced photocatalytic H 2 production and toluene oxidation performance in Mn-doped CsPbBr 3

通过掺杂Mn2?并施加外部磁场，CsPbBr?纳米晶（Mn–CsPbBr?）实现了光催化苯甲醇选择性氧化（99%）和氢气生成效率的显著提升，3.9倍于未掺杂样品。超快瞬态吸收光谱揭示了载流子寿命延长和电荷复合抑制机制，证实自旋极化电子调控可有效增强光催化性能。

　　近年来，研究者们发现电子自旋特性在提升光催化剂性能方面具有重要作用。这一发现激发了对光催化反应机制的深入探索，特别是在利用自旋极化电子来增强材料的催化活性方面。本研究聚焦于铯铅溴（CsPbBr?）纳米晶体（NCs）中自旋极化电子的调控，旨在提高其在光催化反应中的表现。通过引入锰（Mn2?）离子并施加外部磁场，我们发现Mn掺杂的CsPbBr?纳米晶体（Mn–CsPbBr?）在对甲苯的光催化选择性氧化和氢气（H?）生成效率方面显著优于未掺杂的CsPbBr?纳米晶体。特别是，在对甲苯的选择性氧化过程中，Mn–CsP3Br?纳米晶体表现出接近99%的高选择性，而在氢气生成方面，其效率在磁场作用下提升了3.9倍。这一成果不仅展示了自旋极化电子在光催化反应中的关键作用，也为未来开发高性能光催化剂提供了新的思路。

光催化反应的核心在于光生载流子的有效分离与传输。当光照射到半导体材料上时，光子能量被吸收，导致电子从价带跃迁至导带，形成电子-空穴对。然而，这些载流子往往在短时间内复合，从而降低反应效率。为了克服这一问题，研究者们尝试通过多种手段来延长载流子寿命，例如引入缺陷、调控材料结构或采用外部磁场。本研究采用了一种新的策略，即通过掺杂磁性元素锰来调控自旋极化电子，从而改善光催化性能。

锰作为磁性元素，具有独特的自旋特性，能够与半导体材料中的电子发生相互作用。这种相互作用不仅改变了材料的电子结构，还对光生载流子的行为产生了深远影响。通过超快瞬态吸收光谱技术，我们发现Mn掺杂显著延长了载流子寿命，并抑制了电荷复合。这一现象表明，自旋极化电子在光催化过程中起到了关键作用。具体而言，自旋极化电子能够促进电荷分离，减少复合概率，从而提高光催化反应的效率。此外，外部磁场的应用进一步增强了这一效应，使得Mn–CsPbBr?纳米晶体在氢气生成方面的表现更加优异。

为了验证这一假设，我们系统研究了Mn–CsPbBr?纳米晶体的合成过程及其结构特征。通过传统的热注入法，我们成功合成了具有均匀尺寸和良好结晶性的CsPbBr?纳米晶体，并在其中引入了Mn2?离子。扫描电镜和高分辨率透射电镜（HR-TEM）分析表明，Mn掺杂并未破坏纳米晶体的结构，反而在一定程度上增强了其表面活性。这一结果为后续的光催化性能测试提供了坚实的结构基础。

在光催化反应测试中，我们选择了对甲苯的选择性氧化和氢气生成作为主要研究对象。对甲苯的选择性氧化是一种重要的有机转化反应，通常需要高效的催化剂来实现高选择性和低副反应。Mn–CsPbBr?纳米晶体在这一反应中表现出优异的性能，其选择性接近99%。这表明，Mn掺杂不仅提高了反应速率，还有效抑制了副反应的发生。此外，我们还观察到，当施加外部磁场时，Mn–CsPbBr?纳米晶体的光催化性能进一步提升，特别是在氢气生成方面，其效率提高了3.9倍。这一结果表明，磁场能够促进自旋极化电子的定向迁移，从而提高反应效率。

为了深入理解这一现象的机制，我们结合了多种实验手段，包括超快瞬态吸收光谱和热载流子温度与延迟时间之间的功能关系分析。超快瞬态吸收光谱结果表明，Mn掺杂显著延长了载流子寿命，并抑制了电荷复合。这可能是由于Mn2?离子与电子之间的相互作用，改变了电子的自旋状态，从而增强了电荷分离的效率。此外，热载流子温度与延迟时间的关系分析进一步揭示了自旋极化电子在光催化反应中的动态行为。在磁场作用下，热载流子的温度变化更加明显，这可能与自旋极化电子的定向迁移有关。

在实际应用中，光催化反应不仅需要高效的催化剂，还需要考虑其稳定性和可重复使用性。本研究中，Mn–CsPbBr?纳米晶体在多次循环后仍能保持较高的催化活性，这表明其具有良好的稳定性。此外，我们还观察到，Mn掺杂纳米晶体在光照条件下表现出优异的光电响应，这可能与其独特的自旋极化特性有关。这种特性使得Mn–CsPbBr?纳米晶体在光催化反应中能够更有效地利用光能，从而提高反应效率。

光催化反应的应用前景广阔，尤其是在能源转换和环境治理领域。例如，氢气的光催化生成被认为是未来清洁能源的重要来源之一，而有机物的光催化转化则为废水处理和碳中和提供了新的解决方案。本研究中，Mn–CsPbBr?纳米晶体在氢气生成方面的显著提升，为开发高效、稳定的光催化剂提供了新的方向。同时，其在对甲苯选择性氧化中的优异表现，也表明该材料在有机合成领域具有广阔的应用潜力。

此外，本研究还探讨了磁性元素在半导体材料中的作用机制。磁性元素的引入不仅改变了材料的电子结构，还对其光学和磁学性质产生了影响。通过调控磁性元素的浓度和分布，可以进一步优化材料的自旋极化特性，从而提高其光催化性能。这一发现为后续研究提供了理论支持，也为设计新型光催化剂提供了实验依据。

在实际操作中，合成高质量的Mn–CsPbBr?纳米晶体是实现其优异光催化性能的关键。我们采用了一种常规的热注入法，通过精确控制反应条件，确保纳米晶体的均匀性和稳定性。在合成过程中，我们特别关注了Mn2?离子的掺杂比例和分布情况，以避免过量掺杂导致的结构破坏或性能下降。实验结果表明，适当的Mn掺杂不仅不会影响纳米晶体的结构，反而能够显著提升其光催化性能。

为了进一步验证自旋极化电子在光催化反应中的作用，我们还进行了对比实验，研究了不同条件下Mn–CsPbBr?纳米晶体的光催化性能。结果表明，当不施加外部磁场时，Mn–CsPbBr?纳米晶体的光催化性能仍然优于未掺杂的CsPbBr?纳米晶体，这说明自旋极化电子的调控在光催化反应中具有重要意义。而当施加外部磁场时，其性能进一步提升，这表明磁场在增强自旋极化电子行为方面起到了关键作用。

总的来说，本研究通过引入磁性元素锰，并结合外部磁场的调控，成功提升了CsPbBr?纳米晶体的光催化性能。这一成果不仅拓展了光催化材料的设计思路，也为未来开发高性能、多功能的光催化剂提供了新的方向。我们相信，随着对自旋极化电子机制的深入研究，这一领域将迎来更多突破，为可持续能源和环境治理提供强有力的技术支持。