Advanced Science:“用光储能”:光催化助力p-n结超级电容器电容和能量密度的提升

超级电容器以其功率密度高、放电速率快、循环寿命长、不发热等优点逐渐成为了锂离子电池的替代品。然而,超级电容器的能量密度常常较低,这无疑限制了其实际应用。

近年来,光辐射介质法成为一种有潜力的促进能量转换和储存应用的策略,可促进HER、OER、ORR反应和可充电电池性能等(Nat. Commun. 2019, 10, 399;Nat. Commun. 2019, 10, 4767;Nat. Mater. 2018, 17, 1115)。光辐照提升超级电容器储能行为(PIEC)也开始被报道(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 1849;J. Mater. Chem. A 2019, 7, 15691),但其机理仍需进一步研究阐明。

由三嗪单元构成的石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有合适禁带宽度(∼2.7 eV)、低成本、来源广泛的n型光催化剂,在人工光合成中具有重要应用前景。近年来,g-C3N4作为超级电容器受到研究人员的关注,但其电导率低于碳基材料,这限制了其在超级电容器中的应用。研究者在前人通过构建内建电场提升储能行为研究的启发下(Adv. Mater. 2019, 31, 1902603;Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705951)和基于本课题组在极性光催化材料的研究基础(Adv. Mater., 2020, 10.1002/adma.202005256; Adv. Mater., 2020, 32, 1908350; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 10.1002/anie.202009518; Adv. Funct. Mater. 2020, 10.1002/adfm.202005158; Adv. Mater., 2019, 31, 1900546;Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10061-10073;Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9517-9521; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3880-3884; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11860-11864),考虑到Co3O4的p型半导体特性,通过构建具有内建电场的Co3O4/g-C3N4 p-n结超级电容器来加速电荷分离,从而提高Co3O4/g-C3N4电极材料的储能能力。特别地,基于p-n结的PIEC行为研究和基于异质结构的PIEC器件的制备到目前为止还未见报道。

为此,中国地质大学(北京)张以河(https://www.cugb.edu.cn/profAbout.action?zgh=2005011972)&黄洪伟(https://www.cugb.edu.cn/profAbout.action?zgh=2012010034)课题组联合香港理工大学应用物理系黄海涛教授(http://ap.polyu.edu.hk/apahthua/),针对超级电容器存在的能量密度较低的问题,利用模拟太阳光辐照Co3O4/g-C3N4 p-n结全固态超级电容器,使其容量和器件能量密度得到了显著提高,并对相应的机理进行了研究和总结。认为:(1)光辐照诱导了晶格畸变和表面理化性质变化;(2)p-n结内建电场促进了光生载流子分离并促进电化学氧化还原反应。

本研究为提升超级电容器能量密度和拓宽光催化材料的应用范围提供了新的思路,并为构建矿物复合材料内建电场调控光催化-超级电容器体系储能性能的相关研究奠定了基础。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202001939)上。第一作者为中国地质大学(北京)博士生白李琦。相关工作得到了中国国家自然科学基金、香港特别行政区研究资助局以及中央高校基本科研业务费的资助。