天津大学Nature Commun.:光的妙用,太阳能加速OER-IOTA

您的位置：网站首页 行业动态 天津大学Nature Commun.:光的妙用,太阳能加速OER

天津大学Nature Commun.:光的妙用,太阳能加速OER

阅读量：3746660 2019-10-24

第一作者：Xiaorui Liu
通讯作者：胡文彬教授，钟澄教授
通讯单位：天津大学

研究亮点：
1. 阳光促进策略使可充电锌空气电池充电电势大大降低
2. BiVO4或α-Fe2O3光电极作为锌空气电池的空气电极

金属-空气电池
金属-空气电池的阴极材料是来自环境大气的氧气的一种特殊的电池，具有比能量高、价格便宜和性能稳定等优点，是一种非常具有潜力的储能设备，其中锌-空气电池使用水系电解液具有低成本、安全、环境友好的优势，理论能量高达1084Wh/kg，是金属-空气电池系列中研究最多的一种电池，锌-空气电池的放电过程涉及氧还原反应（ORR）,而充电过程涉及析氧反应（OER），而众所周知阴极电化学氧还原/生成反应(ORR/OER)缓慢动力学是影响金属-空气电池充放电速率、容量保持率、能量效率和循环寿命的关键因素，因此需要高效的电催化剂来提高反应速率，近年来研究人员对开发低成本、高效、稳定的催化剂进行了大量的研究。

太阳能电池
太阳能是一种新兴的可再生能源，取之不及、用之不竭。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。其基本原理都是利用不同技术形成P型材料和N型材料，可被看做P区和N区，并将其放在一起使两种材料之间形成PN结（一个稳定的电场，即内在电场），当发生光照时，PN结中的电子吸收足够能量的光子实现跃迁，从共价键中激发出来，因此产生一个电子-空穴对（空穴即因电子挣脱束缚而形成的一个共价键空位）。在PN结这个内建电场结界层的影响下，电子（带负电）向N区运动，空穴（带正电）向P区运动，因此P区和N区形成电势差，通过电池外接正负极形成外电路电流，也就是产生了电能。然而，太阳能电池只能将光转换为实时使用的电能，但难以储存电能。

OER研究现状
光催化和电催化是两种非常具有潜力的技术，通过光/电化学水分裂和再生燃料电池来产生清洁能源，可以满足全球日益增长的能源需求。然而，两种技术也都存在一定的问题，太阳能电池的能量具有间歇性和时候性，难以持续供能，而锌空气电池缓慢的OER导致其需要较大的过电位和较低的能量效率，阻碍了其高效发展。因此，通过使用一种具有p-n异质结的高效吸光剂用于高效电压，光照射辅助锌空气电池产生光电电压，以增强其OER活性，从而将光化学和电化学能量转换和化学能量储存结合到一个单独的可充电的锌空气电池中是非常具有前景的一种技术。目前，关于这方面的探索很少。

成果简介
有鉴于此，天津大学的胡文彬教授和钟澄教授课题组设计了一种阳光促进策略，使可充电锌空气电池在低于理论电池电压的情况下充电电势大大降低，并研究了光促进锌空气电池的基本结构和工作机理。

图1. 太阳光促进锌空气电池充放电过程的示意图

要点1 阳光促进策略使可充电锌空气电池充电电势大大降低
阳光促进的可充电锌空气电池的放电过程与传统的锌空气电池相似，充电过程不同，相比于传统的空气电极上缓慢的OER导致过电位较大，阳光促进的可充电锌空气电池在光照下的形成的光空穴具有很强的氧化能力，因此有利于质子的去除，从而降低了充电电势，大大促进了充电过程。

图2. 光促进的锌空气电池中的充放电过程
要点2 BiVO4或α-Fe2O3光电极作为空气电极降低了锌空气电池约0.5 ~ 0.8 V的充电电势
光电极的带边缘位置和带隙结构对充电性能有重要影响，因此对比研究了两种不同能带结构的半导体光电极BiVO4、α-Fe2O3。BiVO4由平均粒径约为110nm的柱状颗粒相互连接组成，而α-Fe2O3由平均直径为~70nm的纳米棒组成，BiVO4、α-Fe2O3电极在光照条件下显示出低于~0.9V起始电位。

图3. 光电电极的光电化学性能

要点3 光电极的能带结构和光电化学稳定性是决定阳光促进锌空气电池充电性能的关键因素
研究两种光空气电极的稳定性发现，α-Fe2O3光电极相比于BiVO4光电极表现出更加优异的光电化学稳定性，运行5h后电流密度仍基本保持不变，而BiVO4光电极在运行10分钟后光电流密度下降了84.6%，这是因为BiVO4光空气电极存在腐蚀现象。

图4. 光电极的带结构

要点4 组装的光促进锌空气电池的初始充电电压仅约为1.20V
使用BiVO4和α-Fe2O3基半导体光电极组装成锌空气电池，对比研究在有光照、无光照条件下的电化学性能发现，光线的引入可以大大降低充电电势，BiVO4基锌空气电池初始充电电压仅约为1.20V，比无光照的锌空电池的初始充电电压降低~0.76V，甚至低于理论工作电压1.65V，α-Fe2O3基锌空气电池在光照明下的充电电势也明显低于理论电势，由于BiVO4光空气电极存在腐蚀现象因此充电电压逐渐升高，而α-Fe2O3基锌空电池的充电电压基本保持稳定。

图5. 光促进可充电锌空气电池的电化学表征

小结
直接收集太阳能进行电池充电是实现低成本、绿色、高效和可持续的电化学储能的最终解决方案。阳光促进策略使可充电锌空气电池充电电势大大降低，光电极作为空气电极的引入为开发能够有效利用太阳能同时克服传统锌空气电池高充电过电位的问题提供了一条重要的途径。

参考文献
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

作者简介

胡文彬教授，现任天津大学材料科学与工程学院院长，为国家杰出青年科学基金获得者、国家科技部“863”计划新材料领域主题专家组成员，长期从事关键能源材料及表界面科学与工程研究。先后承担了国家杰出青年基金、国家“863”计划、国家自然科学基金重点等项目30余项，获国家科技进步二等奖1项（排名第一），省部级一等奖2项（排名第一），是科技部及天津市重点领域创新团队负责人。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际知名刊物发表论文200余篇，申请国家发明专利60余项，授权24项，出版中英文学术专著2部。国际电化学能源科学院（IAOEES）理事会委员，中国材料研究学会青年委员会高级理事、腐蚀与防护学会常务理事，任ScienceChina Materials、无机材料学报、中国有色金属学报等学术期刊编委。

钟澄，复旦大学物理电子学专业博士，天津大学教授、博士生导师。研究方向主要包括材料的电化学冶金制备科学及其应用，能源新材料与电池电化学研究。获国家优秀青年科学基金、国家万人计划青年拔尖人才计划等资助。作为项目主持，相关研究获得了国家重点研发计划专项(子课题)、国家自然科学基金等多项基金的资助。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, NanoEnergy等期刊上发表90余篇SCI收录论文。以第一作者出版英文学术著作1本（Electrolytes for ElectrochemicalSupercapacitors, CRC Press-Taylor & Francis Group出版）。获授权发明专利10余项。担任国际电化学能源科学研究院理事（Board Committee Memberof the International Academy of Electrochemical Energy Science）。