基于半导体光催化剂的人工光合成系统因其直接将太阳能转化为化学能的特性，被视为实现低成本、规模化太阳燃料生产的重要技术路径。其中，卤化物钙钛矿与二硫化钼（MoS₂）构建的异质结光催化剂在光催化制氢中展现出优异的太阳能-氢能转换效率。然而，钙钛矿异质结界面电荷分离动力学的机制尚未系统阐明，导致高效界面设计缺乏理论指导。

针对这一科学瓶颈，广东工业大学余林教授、彭少敏副教授团队与澳门大学邢贵川教授团队合作，以甲脒铅溴钙钛矿（FAPbBr₃）为模型，通过调控前驱体化学计量比优化钙钛矿表面物化性质，系统探究了FAPbBr₃/MoS₂异质结中界面特性对电荷分离效率的影响机制。研究发现，高密度Pb-S化学键合界面的构筑可将电荷分离效率从29%显著提升至63%，并实现8.6%的太阳能-氢能转换效率（STH）。值得注意的是，尽管体系中存在界面内建电场（IEF），但电荷分离驱动力主要源于卤化物钙钛矿自身高光生载流子密度梯度，而非传统Type-II或S-scheme异质结机制。

通过密度泛函理论（DFT）构建了三种Pb-S-Mo连接的异质结模型，揭示饱和配位界面更有利于电子分离与传输。实验证实，富铅钙钛矿表面可提供更多Pb位点，为原子级紧密界面构建奠定基础。

原位构建的FAPbBr₃/MoS₂异质结中，富铅界面通过高密度Pb-S键实现原子级接触，形成多重电荷分离通道。光催化制氢效率实验显示，优化后的异质结性能分别为纯FAPbBr₃的98倍和物理负载Pt助催化剂的32倍。

结合原位光照射X射线光电子能谱（IS-XPS）和开尔文探针力显微镜（KPFM）分析，发现电荷转移主要受界面电荷密度梯度驱动的非平衡IEF主导。这一现象得益于钙钛矿长载流子扩散长度和高载流子密度的协同作用。

最后，瞬态吸收光谱（TAS）表明，优化界面可将电荷分离时间从489 ps缩短至112 ps，同时分离效率提升2.2倍，证实界面原子级工程对电荷动力学过程的关键调控作用。

该工作首次将钙钛矿本征光电特性（高载流子密度、长扩散长度）与界面原子级工程相结合，提出“载流子密度梯度驱动”的非平衡内建电场电荷分离机制，为高效钙钛矿基异质结催化剂的设计提供了新的见解和设计思路。

Atomic Heterointerface Engineering and Non-Equilibrium Carrier Dynamics for Enhanced Photocatalysis in Halide Perovskite/MoS2 Systems

Shaomin Peng, Changhai Guo, Jia Guo, Wei Song, Ming Sun, Guichuan Xing Lin Yu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202506436