第一作者：Xiaorui Liu
通訊作者：胡文彬教授，鐘澄教授
通訊單位：天津大學
研究亮點：
1. 陽光促進策略使可充電鋅空氣電池充電電勢大大降低
2. BiVO4或α-Fe2O3光電極作為鋅空氣電池的空氣電極
金屬-空氣電池
金屬-空氣電池的陰極材料是來自環境大氣的氧氣的一種特殊的電池，具有比能量高、價格便宜和性能穩定等優點，是一種非常具有潛力的儲能設備，其中鋅-空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環境友好的優勢，理論能量高達1084Wh/kg，是金屬-空氣電池系列中研究最多的一種電池，鋅-空氣電池的放電過程涉及氧還原反應（ORR）,而充電過程涉及析氧反應（OER），而眾所周知陰極電化學氧還原/生成反應(ORR/OER)緩慢動力學是影響金屬-空氣電池充放電速率、容量保持率、能量效率和循環壽命的關鍵因素，因此需要高效的電催化劑來提高反應速率，近年來研究人員對開發低成本、高效、穩定的催化劑進行了大量的研究。
太陽能電池
太陽能是一種新興的可再生能源，取之不及、用之不竭。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的晶硅太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。其基本原理都是利用不同技術形成P型材料和N型材料，可被看做P區和N區，并將其放在一起使兩種材料之間形成PN結（一個穩定的電場，即內在電場），當發生光照時，PN結中的電子吸收足夠能量的光子實現躍遷，從共價鍵中激發出來，因此產生一個電子-空穴對（空穴即因電子掙脫束縛而形成的一個共價鍵空位）。在PN結這個內建電場結界層的影響下，電子（帶負電）向N區運動，空穴（帶正電）向P區運動，因此P區和N區形成電勢差，通過電池外接正負極形成外電路電流，也就是產生了電能。然而，太陽能電池只能將光轉換為實時使用的電能，但難以儲存電能。
OER研究現狀
光催化和電催化是兩種非常具有潛力的技術，通過光/電化學水分裂和再生燃料電池來產生清潔能源，可以滿足全球日益增長的能源需求。然而，兩種技術也都存在一定的問題，太陽能電池的能量具有間歇性和時候性，難以持續供能，而鋅空氣電池緩慢的OER導致其需要較大的過電位和較低的能量效率，阻礙了其高效發展。因此，通過使用一種具有p-n異質結的高效吸光劑用于高效電壓，光照射輔助鋅空氣電池產生光電電壓，以增強其OER活性，從而將光化學和電化學能量轉換和化學能量儲存結合到一個單獨的可充電的鋅空氣電池中是非常具有前景的一種技術。目前，關于這方面的探索很少。
成果簡介
有鑒于此，天津大學的胡文彬教授和鐘澄教授課題組設計了一種陽光促進策略，使可充電鋅空氣電池在低于理論電池電壓的情況下充電電勢大大降低，并研究了光促進鋅空氣電池的基本結構和工作機理。
圖1. 太陽光促進鋅空氣電池充放電過程的示意圖
要點1 陽光促進策略使可充電鋅空氣電池充電電勢大大降低
陽光促進的可充電鋅空氣電池的放電過程與傳統的鋅空氣電池相似，充電過程不同，相比于傳統的空氣電極上緩慢的OER導致過電位較大，陽光促進的可充電鋅空氣電池在光照下的形成的光空穴具有很強的氧化能力，因此有利于質子的去除，從而降低了充電電勢，大大促進了充電過程。
圖2. 光促進的鋅空氣電池中的充放電過程
要點2 BiVO4或α-Fe2O3光電極作為空氣電極降低了鋅空氣電池約0.5 ~ 0.8 V的充電電勢
光電極的帶邊緣位置和帶隙結構對充電性能有重要影響，因此對比研究了兩種不同能帶結構的半導體光電極BiVO4、α-Fe2O3。BiVO4由平均粒徑約為110nm的柱狀顆粒相互連接組成，而α-Fe2O3由平均直徑為~70nm的納米棒組成，BiVO4、α-Fe2O3電極在光照條件下顯示出低于~0.9V起始電位。
圖3. 光電電極的光電化學性能
要點3 光電極的能帶結構和光電化學穩定性是決定陽光促進鋅空氣電池充電性能的關鍵因素
研究兩種光空氣電極的穩定性發現，α-Fe2O3光電極相比于BiVO4光電極表現出更加優異的光電化學穩定性，運行5h后電流密度仍基本保持不變，而BiVO4光電極在運行10分鐘后光電流密度下降了84.6%，這是因為BiVO4光空氣電極存在腐蝕現象。
圖4. 光電極的帶結構
要點4 組裝的光促進鋅空氣電池的初始充電電壓僅約為1.20V
使用BiVO4和α-Fe2O3基半導體光電極組裝成鋅空氣電池，對比研究在有光照、無光照條件下的電化學性能發現，光線的引入可以大大降低充電電勢，BiVO4基鋅空氣電池初始充電電壓僅約為1.20V，比無光照的鋅空電池的初始充電電壓降低~0.76V，甚至低于理論工作電壓1.65V，α-Fe2O3基鋅空氣電池在光照明下的充電電勢也明顯低于理論電勢，由于BiVO4光空氣電極存在腐蝕現象因此充電電壓逐漸升高，而α-Fe2O3基鋅空電池的充電電壓基本保持穩定。
圖5. 光促進可充電鋅空氣電池的電化學表征
小結
直接收集太陽能進行電池充電是實現低成本、綠色、高效和可持續的電化學儲能的最終解決方案。陽光促進策略使可充電鋅空氣電池充電電勢大大降低，光電極作為空氣電極的引入為開發能夠有效利用太陽能同時克服傳統鋅空氣電池高充電過電位的問題提供了一條重要的途徑。
參考文獻
XiaoruiLiu, et al. Utilizing solar energy to improve the oxygen evolutionreaction kinetics in zinc–air battery. Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-019-12627-2
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12627-2
作者簡介
胡文彬教授，現任天津大學材料科學與工程學院院長，為國家杰出青年科學基金獲得者、國家科技部“863”計劃新材料領域主題專家組成員，長期從事關鍵能源材料及表界面科學與工程研究。先后承擔了國家杰出青年基金、國家“863”計劃、國家自然科學基金重點等項目30余項，獲國家科技進步二等獎1項（排名第一），省部級一等獎2項（排名第一），是科技部及天津市重點領域創新團隊負責人。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國際知名刊物發表論文200余篇，申請國家發明專利60余項，授權24項，出版中英文學術專著2部。國際電化學能源科學院（IAOEES）理事會委員，中國材料研究學會青年委員會高級理事、腐蝕與防護學會常務理事，任ScienceChina Materials、無機材料學報、中國有色金屬學報等學術期刊編委。
鐘澄，復旦大學物理電子學專業博士，天津大學教授、博士生導師。研究方向主要包括材料的電化學冶金制備科學及其應用，能源新材料與電池電化學研究。獲國家優秀青年科學基金、國家萬人計劃青年拔尖人才計劃等資助。作為項目主持，相關研究獲得了國家重點研發計劃專項(子課題)、國家自然科學基金等多項基金的資助。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, NanoEnergy等期刊上發表90余篇SCI收錄論文。以第一作者出版英文學術著作1本（Electrolytes for ElectrochemicalSupercapacitors, CRC Press-Taylor & Francis Group出版）。獲授權發明專利10余項。擔任國際電化學能源科學研究院理事（Board Committee Memberof the International Academy of Electrochemical Energy Science）。
