▲第一作者：胡宇翔共同
通訊作者：王連洲、王志亮、劉崗
通訊單位：昆士蘭大學，中科院金屬所
論文DOI：10.1038/s41467-020-15993-4
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針對光電催化水解存在的驅動力不足而導致轉化效率低的問題，研究者通常會通過調節光電極/電解質界面的能帶遷移來加大電荷分離和轉移提高驅動力，而鮮有對整體電極結構改善的嘗試。該工作創新性地把光催化與充電電池的機理相結合，通過對光電極的原位鋰化形成內部極化來對整體電極改性，大大提升了其光電轉化效率。和未改性的參考光電極相比，達到了7.5倍的光電流密度提升和100 mV的起始電位的負移。
背景介紹
利用太陽能獲取氫能被認為是解決日趨嚴重的能源危機和環境問題的最佳選擇，其中基於光電催化分解水制氫是一條具有前景的途徑。而實現高效的光電催化分解水制氫效率的關鍵在於製備出高效穩定的半導體光電極，其中
提升半導體內部的電荷分離和轉移時該研究的關鍵點之一。
研究出發點
本工作旨在開發一種對整體電極內部極化的調控新思路，作者首先選用了具有代表性的二氧化鈦光電催化材料，並通過DFT理論模擬和原位檢測驗證了其實驗設想。進而通過更為直接的電荷分離和轉移的變化的觀測，明晰了原位鋰化的效果。最後，作者進行了多個條件下的交叉實驗，優化鋰化條件，實現了二氧化鈦光催化性能的大幅提升。
圖文解析
▲圖1. 鋰化前後晶體結構和整體能帶偏移的變化
原本二氧化鈦電極的能帶彎曲提供的光電催化驅動力只發生在固液界面，通過在鋰電池中原位鋰化的形式，能把這一能帶彎曲擴展到光電極的體相中，讓整體光電極都具有內建電場的驅動力，有效促進光電極內的電荷分離和傳遞，大大光電催化活性。
▲圖2. 對鋰化過程的原位、半原位的檢測以驗證鋰化對晶體結構的影響。a-c) XPS d)原位同步輻射。e-f) 鋰化前後晶格變化
▲圖3. TiO2電極鋰化後電荷分離和轉移的變化
通過開爾文探針能更為直接的觀測出鋰化前後，整體電極電荷分離和轉移的變化。結果顯示鋰化後的電極，具有更大的表面電勢，而且高的光響應電壓，以及更慢的電荷複合過程。
▲圖4. 鋰化氧化鈦的光電催化性能
在綜合和優化不同鋰化程度以及拓展的不同鋰化後，作者不僅論證了通過統一調控晶格結構形成內部電場和內部極化以提高電荷分離能力的新思路，而且實現了光電催化活性的大幅度提升。總結與展望
高效光電催化電極材料的設計對太陽能的充分利用和清潔氫能製備至關重要。昆士蘭大學王連洲課題組和金屬所劉崗研究員與其他合作者包括中國石油大學和中科院大連化物所密切合作，在本文中展示的借用充電電池的嵌鋰原理來優化光電催化材料的新思路，希望能對未來光電催化制氫提供更多的啟發。
參考文獻
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作者簡介
胡宇翔，昆士蘭大學納米中心博士後研究員。2012年本科畢業於南京大學後師從南開大學陳軍院士進行納米材料和電池技術研究。2015年開始受澳大利亞國際研究生研究獎學金(IPRS)支持在昆士蘭大學攻讀博士學位（導師：王連洲教授），博士畢業後於2018年開始在昆士蘭大學納米中心和陶氏研發中心進行研究助理和博士後研究員工作。主要研究方向為：金屬電池（鋁、鈉、鋰電池），光充電電池、金屬空氣電池，光電催化和過渡金屬基功能材料。在包括Adv. Mater.、Nat. Commun.、 Angew.Chem.、Adv. Energy Mater.等國際期刊共發表論文48篇，引用2400餘次，H因子24，4篇高被引論文，一作累積影響因子140。參加國際會議作學術報告10餘次，已先後獲國家獎學金、優秀研究生獎、優秀畢業生、昆士蘭大學功能納米材料研究優秀獎、2019年MRSspring最佳poster提名、第三屆可再生能源技術國際會議優秀青年學者以及國家優秀自費留學生獎學金等。
王志亮，昆士蘭大學納米中心博士後研究員。2017年博士畢業於大連化學物理研究所，師從李燦院士進行光電催化分解水的研究。博士畢業後於2017年開始在昆士蘭大學納米中心進行博士後工作，指導老師為王連洲教授。主要研究方向為光電催化，光催化，以及材料科學。在包括Adv. Mater.、Nat. Commun.、 Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.等國際期刊共發表論文46篇，專著章節2篇，申請專利3項；論文引用1700餘次，H因子20，6篇高被引論文；參加國際會議作學術報告10餘次。
劉崗，現為中國科學院金屬研究所研究員、副所長，國家傑出青年科學基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。03年畢業於吉林大學材料物理專業，09年在中科院金屬所獲材料學博士學位，隨後留所工作至今。一直致力於太陽能光催化材料的研究，發表SCI論文150餘篇，所發表論文被SCI引用2.1萬餘次，獲授權專利17項。曾入選國家“萬人計劃”首批青年拔尖人才、教育部“長江學者獎勵計劃”青年學者、英國皇家化學-牛頓高級學者、科睿唯安“全球高被引科學家”（2017-2019）等。曾獲包括中國青年科技獎、遼寧省自然科學獎一等獎（第一完成人）、中國化學會青年化學獎、首屆全國太陽能光化學與光催化研究領域優秀青年獎、全國百篇優秀博士學位論文獎等十餘項學術獎勵與榮譽。任中國材料研究學會青年工作委員會副主任。
王連洲（Lianzhou Wang），昆士蘭大學化工學院教授和澳大利亞桂冠教授，澳大利亞納米材料研究中心（Nanomac）主任，澳大利亞生物工程與納米技術研究所（AIBN）兼職課題組長。1999年在中科院硅酸鹽研究所獲博士學位。主要從事半導體納米材料的合成及其在清潔能源領域的應用，2018年底其團隊創造了新型量子點太陽能電池效率的世界記錄，認證轉換效率達16.6%。先後在諸多國際學術期刊發表論文400餘篇，承擔或參與了澳大利亞基金委、澳洲科學院、昆士蘭州政府以及工業界等40餘項競爭性研究項目。先後獲得澳洲基金委女王伊麗莎白學者，未來學者和桂冠學者稱號，昆士蘭大學研究優秀獎及優秀研究生導師獎，澳洲尋找未來之星獎，國際化工學會傑出研究獎等，入選澳洲基金委專家委員會和英國皇家化學會會士，科睿唯安“高被引科學家”等。任澳洲材料科學與工程全國委員會副主任。 個人主頁: http://researchers.uq.edu.au/researcher/1479
論文引用信息: https://scholar.google.com.au/citations?user=1Kb97_kAAAAJ&hl=en
課題組網站：https://nanomaterials.centre.uq.edu.au/
其他合作者包括中國石油大學胡涵教授課題組和中科院大連化物所範峰韜研究員。
後記
寫在最後，筆者一直認為離子電池是一個非常有趣的化學反應體系，有很多尚待開發和結合的新領域。例如，原位鋰化這一方法已被驗證在電催化（氧還原和氫析出）、金屬空氣電池等領域，有著獨特的改性方式。秉著對這一方向的堅持，一直努力尋找更適合的媒介材料和使用領域。期待有更多更好的工作。
另外也希望國內外的疫情早日結束，大家繼續全心投入到火熱的科研工作中。
