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王连洲/刘岗教授Nat. Comm.: 锂电反应助力光电催化
第一作者:胡宇翔


共同通讯作者:王连洲、王志亮、刘岗
通讯单位:昆士兰大学,中科院金属所
论文DOI10.1038/s41467-020-15993-4

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针对光电催化水解存在的驱动力不足而导致转化效率低的问题,研究者通常会通过调节光电极/电解质界面的能带迁移来加大电荷分离和转移提高驱动力,而鲜有对整体电极结构改善的尝试。该工作创新性地把光催化与充电电池的机理相结合,通过对光电极的原位锂化形成内部极化来对整体电极改性,大大提升了其光电转化效率。和未改性的参考光电极相比,达到了7.5倍的光电流密度提升和100 mV的起始电位的负移。

背景介绍


利用太阳能获取氢能被认为是解决日趋严重的能源危机和环境问题的最佳选择,其中基于光电催化分解水制氢是一条具有前景的途径。而实现高效的光电催化分解水制氢效率的关键在于制备出高效稳定的半导体光电极,其中提升半导体内部的电荷分离和转移时该研究的关键点之一

研究出发点


本工作旨在开发一种对整体电极内部极化的调控新思路,作者首先选用了具有代表性的二氧化钛光电催化材料,并通过DFT理论模拟和原位检测验证了其实验设想。进而通过更为直接的电荷分离和转移的变化的观测,明晰了原位锂化的效果。最后,作者进行了多个条件下的交叉实验,优化锂化条件,实现了二氧化钛光催化性能的大幅提升。

图文解析



1. 锂化前后晶体结构和整体能带偏移的变化

原本二氧化钛电极的能带弯曲提供的光电催化驱动力只发生在固液界面,通过在锂电池中原位锂化的形式,能把这一能带弯曲扩展到光电极的体相中,让整体光电极都具有内建电场的驱动力,有效促进光电极内的电荷分离和传递,大大光电催化活性。


▲图2. 对锂化过程的原位、半原位的检测以验证锂化对晶体结构的影响。a-c) XPS d)原位同步辐射。e-f) 锂化前后晶格变化

▲图3. TiO2电极锂化后电荷分离和转移的变化

通过开尔文探针能更为直接的观测出锂化前后,整体电极电荷分离和转移的变化。结果显示锂化后的电极,具有更大的表面电势,而且高的光响应电压,以及更慢的电荷复合过程。

▲图4. 锂化氧化钛的光电催化性能

在综合和优化不同锂化程度以及拓展的不同锂化后,作者不仅论证了通过统一调控晶格结构形成内部电场和内部极化以提高电荷分离能力的新思路,而且实现了光电催化活性的大幅度提升。
总结与展望


高效光电催化电极材料的设计对太阳能的充分利用和清洁氢能制备至关重要。昆士兰大学王连洲课题组和金属所刘岗研究员与其他合作者包括中国石油大学和中科院大连化物所密切合作,在本文中展示的借用充电电池的嵌锂原理来优化光电催化材料的新思路,希望能对未来光电催化制氢提供更多的启发。

参考文献



1. Y. Hu, Y.Pan, Z. Wang, T. Lin, Y. Gao, B. Luo, H. Hu, F. Fan, G. Liu and L. Wang, Nat. Commun., 2020, 11, 2129.
2. S. Wang,G.Liu,and L. Wang,  Chem. Rev., 2019, 119,5192-5247.
3. Y. Hu, T. Zhang, F. Cheng, Q. Zhao, X. Han and J. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54,4338-4343.

 作者简介


胡宇翔,昆士兰大学纳米中心博士后研究员。2012年本科毕业于南京大学后师从南开大学陈军院士进行纳米材料和电池技术研究。2015年开始受澳大利亚国际研究生研究奖学金(IPRS)支持在昆士兰大学攻读博士学位(导师:王连洲教授),博士毕业后于2018年开始在昆士兰大学纳米中心和陶氏研发中心进行研究助理和博士后研究员工作。主要研究方向为:金属电池(铝、钠、锂电池),光充电电池、金属空气电池,光电催化和过渡金属基功能材料。在包括Adv. Mater.、Nat. Commun.、 Angew.Chem.、Adv. Energy Mater.等国际期刊共发表论文48篇,引用2400余次,H因子24,4篇高被引论文,一作累积影响因子140。参加国际会议作学术报告10余次,已先后获国家奖学金、优秀研究生奖、优秀毕业生、昆士兰大学功能纳米材料研究优秀奖、2019年MRSspring最佳poster提名、第三届可再生能源技术国际会议优秀青年学者以及国家优秀自费留学生奖学金等。
 
王志亮,昆士兰大学纳米中心博士后研究员。2017年博士毕业于大连化学物理研究所,师从李灿院士进行光电催化分解水的研究。博士毕业后于2017年开始在昆士兰大学纳米中心进行博士后工作,指导老师为王连洲教授。主要研究方向为光电催化,光催化,以及材料科学。在包括Adv. Mater.、Nat. Commun.、 Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.等国际期刊共发表论文46篇,专著章节2篇,申请专利3项;论文引用1700余次,H因子20,6篇高被引论文;参加国际会议作学术报告10余次。
 
刘岗,现为中国科学院金属研究所研究员、副所长,国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才。03年毕业于吉林大学材料物理专业,09年在中科院金属所获材料学博士学位,随后留所工作至今。一直致力于太阳能光催化材料的研究,发表SCI论文150余篇,所发表论文被SCI引用2.1万余次,获授权专利17项。曾入选国家“万人计划”首批青年拔尖人才、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、英国皇家化学-牛顿高级学者、科睿唯安“全球高被引科学家”(2017-2019)等。曾获包括中国青年科技奖、辽宁省自然科学奖一等奖(第一完成人)、中国化学会青年化学奖、首届全国太阳能光化学与光催化研究领域优秀青年奖、全国百篇优秀博士学位论文奖等十余项学术奖励与荣誉。任中国材料研究学会青年工作委员会副主任。
 
王连洲(Lianzhou Wang),昆士兰大学化工学院教授和澳大利亚桂冠教授,澳大利亚纳米材料研究中心(Nanomac)主任,澳大利亚生物工程与纳米技术研究所(AIBN)兼职课题组长。1999年在中科院硅酸盐研究所获博士学位。主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源领域的应用,2018年底其团队创造了新型量子点太阳能电池效率的世界记录,认证转换效率达16.6%。先后在诸多国际学术期刊发表论文400余篇,承担或参与了澳大利亚基金委、澳洲科学院、昆士兰州政府以及工业界等40余项竞争性研究项目。先后获得澳洲基金委女王伊丽莎白学者,未来学者和桂冠学者称号,昆士兰大学研究优秀奖及优秀研究生导师奖,澳洲寻找未来之星奖,国际化工学会杰出研究奖等,入选澳洲基金委专家委员会和英国皇家化学会会士,科睿唯安“高被引科学家”等。任澳洲材料科学与工程全国委员会副主任。
 
个人主页: http://researchers.uq.edu.au/researcher/1479
论文引用信息:
https://scholar.google.com.au/citations?user=1Kb97_kAAAAJ&hl=en
课题组网站:
https://nanomaterials.centre.uq.edu.au/
其他合作者包括中国石油大学胡涵教授课题组和中科院大连化物所范峰韬研究员

 后记



写在最后,笔者一直认为离子电池是一个非常有趣的化学反应体系,有很多尚待开发和结合的新领域。例如,原位锂化这一方法已被验证在电催化(氧还原和氢析出)、金属空气电池等领域,有着独特的改性方式。秉着对这一方向的坚持,一直努力寻找更适合的媒介材料和使用领域。期待有更多更好的工作。



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