孟辉教授、王楠副教授和余翔高级实验师，CEJ新应用：光诱导等离子体共振提高锌-乙醇-空气电池的超窄电压间隙

第一作者：陈昊曦

通讯作者：孟辉*，王楠*，余翔*

单位：暨南大学

锌-空气电池（ZABs）因其高理论能量密度、低成本和环境友好性，被认为是下一代电化学储能设备的有力候选。然而，其充放电电压间隙（CDVG）较大，导致能量损失严重。传统方法主要通过优化双功能氧催化剂来降低CDVG。2022年，作者团队首次提出在电解液中加入乙醇，构建锌-乙醇-空气电池（ZEABs），成功将CDVG降低240 mV。为进一步提升性能，本文引入光辅助策略，设计AuPd@TiO₂光催化剂，利用TiO₂的光电效应和Au的局域表面等离子体共振（LSPR），进一步缩小CDVG。

近日，来自暨南大学的孟辉教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Light induced plasma resonance boosts ultra-narrow voltage gap in zinc-ethanol-air batteries”的前瞻性文章。该前瞻性文章引入了光辅助策略，成功构建了光辅助锌-乙醇-空气电池（LA-ZEABs），以AuPd@TiO₂为空气电极催化剂，在模拟太阳光照射下实现了仅47 mV的超低充放电电压间隙，能量效率高达96.1%。该催化剂在EOR中表现出高活性、优异抗CO中毒能力和长期稳定性。其优异性能归因于TiO₂的光电效应与Au的LSPR效应协同作用，促进电子转移与乙醇氧化。该文章为开发高效、低能耗的锌空气电池提供了新思路和实验基础。

如图1所示，光辅助锌醇空气电池的设计从锌空气电池阴极反应和阳极反应之间的高电压差出发，通过用EOR代替OER来降低锌空气电池的电压差，同时在此基础上进一步引入光辅助策略，设计一个光电催化剂并应用在锌醇空气电池上，从而实现极低的电压差。在ZEABs测试中，AuPd@TiO2表现出了优异的性能，在5 mA/cm2以内电压差小于150 mV，在10 mA/cm2小于300 mV。相比于ZABs，ZEABs的电压差显著降低，仅为ZABs的1/8。后续引入光辅助策略后，电压差进一步降低，达到47 mV。

如图2所示，XRD测试表明AuPd@TiO2中最高的特征峰介于Au和Pd之间，而HRTEM测试进一步证实了这个结果，最后通过XPS测试证明Au和Pd之间发生了电子转移，以上三个测试结果均证明了Au-Pd之间发生了合金化现象，形成Au-Pd合金。

如图3所示，对几种催化剂进行了循环伏安测试以说明其催化性能的差异，其中AuPd@TiO2催化剂具有最高的EOR催化活性，质量活性达到5.22 A/mgpd，远优于商业Pd/C催化剂。后续用循环计时电位法对催化剂进行稳定性测试，在更换电解液以保持电解液中的乙醇浓度后，催化剂的活性得到恢复，表明催化剂具有良好的EOR稳定性。Pd基催化剂在EOR中易发生CO中毒现象，这是由于Pd易使乙醇中的C-C键进行断裂，从而生成Coads中间体，Coads会吸附在Pd活性位点上阻碍其与反应物发生反应，从而发生“中毒现象”。利用原位衰减全反射表面增强红外光谱揭示催化剂的反应路径，可以看到图3e中没有出现明显CO的特征峰，但是关于CO2的特征峰在缓慢增强，表明有一小部分的乙醇分子转换为了CO2，大部分转换成了乙酸。这可能是因为Coads在催化剂表面的吸脱附过程非常快，导致检测不到CO的特征信号，同时也表明了催化剂在EOR中的优异抗CO中毒性能。

如图4所示，在模拟太阳光的照射下，催化剂的EOR性能得到显著提升，这是TiO2的光电效应和Au的局域表面等离子体共振现象提供的。后续对催化剂进行原位XPS测试以说明催化剂中的电子转移现象，可以发现Au和Pd在光照时，其峰均向高结合能方向偏，说明Au和Pd均失去电子。由于Pd的费米能级低于Au，因此从Au上失去的电子会优先转移到Pd上，而Pd上失去的电子则转移到TiO2载体的氧空位上，形成M-O键。

本研究成功构建了光辅助锌-乙醇-空气电池（LA-ZEABs），通过设计AuPd@TiO₂光催化剂，利用TiO₂的光电效应与Au的局域表面等离子体共振（LSPR）协同作用，实现了仅47 mV的超低充放电电压间隙和96.1%的能量效率，同时显著提升了催化剂的抗CO中毒能力和循环稳定性（>700小时）。这一策略为突破锌-空气电池能量效率瓶颈提供了新思路。未来，可进一步优化光催化材料的光谱响应范围与电子结构，探索其在自然光条件下的实用化潜力，并拓展至其他金属-空气电池体系，推动高效、低碳能源存储技术的发展。

Light induced plasma resonance boosts ultra-narrow voltage gap in zinc-ethanol-air batteries

王楠：副教授，博士生导师。分别于2014，2019年获得华南理工大学学士学位和博士学位，2019年作为引进人才加入暨南大学。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater., Energy Environ. Sci, Adv. Funct. Mater., ACS Catalysis, Appl. Catal., B等杂志上发表论文50余篇，被引用> 7000余次，H因子44。2021-2024斯坦福/爱思唯尔全球前2%顶尖科学家。主要研究方向包括：（1）H2-O2燃料电池、金属-空气电池电催化；（2）混合电解水催化剂的制备；（3）第一性原理计算等。

孟辉：暨南大学理工学院教授，中山大学材料物理与化学专业博士。先后在加拿大国立科学研究院、美国布鲁克海文国家实验室从事研究工作。先后任教于华南理工大学和中山大学。获得2013年国家自然科学奖二等奖、2011年广东省自然科学奖一等奖、2013年广州市珠江科技新星、2014年暨南杰青、2016年中国分析测试协会科学技术奖一等奖。在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, ACS Energy Letters等国际著名期刊上发表论文150余篇。主要研究方向包括：新能源与环保材料和器件。

余翔:博士，硕导，暨南大学分析测试中心高级实验师，广东电镜协会理事，中国分析测试协会专家。以第一作者或通讯作者在Nano Energy、Crystengcomm、Journal of Power Sources、Applied Surface Science等著名国际学术期刊发表论文20余篇。主要研究方向:利用高分辨透射电镜研究催化剂，新能源材料和高温合金等，表征材料微观结构，探索材料构效关系。