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Rational Atom Substitution to Obtain Efficient, Lead‐Free Photocatalytic Perovskites Assisted by Machine Learning and DFT Calculations

光催化 钙钛矿(结构) 带隙 卤化物 取代基 化学 材料科学 计算化学 光电子学 催化作用 结晶学 无机化学 立体化学 生物化学
作者
Xuying Li,Haoxin Mai,Junlin Lu,Xiaoming Wen,Tu C. Le,Salvy P. Russo,David A. Winkler,Dehong Chen,Rachel A. Caruso
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (52): e202315002-e202315002 被引量:32
标识
DOI:10.1002/anie.202315002
摘要

Inorganic lead-free halide perovskites, devoid of toxic or rare elements, have garnered considerable attention as photocatalysts for pollution control, CO2 reduction and hydrogen production. In the extensive perovskite design space, factors like substitution or doping level profoundly impact their performance. To address this complexity, a synergistic combination of machine learning models and theoretical calculations were used to efficiently screen substitution elements that enhanced the photoactivity of substituted Cs2 AgBiBr6 perovskites. Machine learning models determined the importance of d10 orbitals, highlighting how substituent electron configuration affects electronic structure of Cs2 AgBiBr6 . Conspicuously, d10 -configured Zn2+ boosted the photoactivity of Cs2 AgBiBr6 . Experimental verification validated these model results, revealing a 13-fold increase in photocatalytic toluene conversion compared to the unsubstituted counterpart. This enhancement resulted from the small charge carrier effective mass, as well as the creation of shallow trap states, shifting the conduction band minimum, introducing electron-deficient Br, and altering the distance between the B-site cations d band centre and the halide anions p band centre, a parameter tuneable through d10 configuration substituents. This study exemplifies the application of computational modelling in photocatalyst design and elucidating structure-property relationships. It underscores the potential of synergistic integration of calculations, modelling, and experimental analysis across various applications.
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