新加坡国立大学陈伟教授团队AM：刃错位WO3光阴极助力高效光辅助Li-O2电池- 大数跨境

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新加坡国立大学陈伟教授团队AM：刃错位WO3光阴极助力高效光辅助Li-O2电池

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2025-07-25

导读：新加坡国立大学陈伟教授团队AM：刃错位WO3光阴极助力高效光辅助Li-O2电池

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文章信息

刃错位WO₃光阴极助力高效光辅助Li-O₂电池

第一作者：王萌、田章留、李冠星

通讯作者：陈伟教授、田章留研究员、韩宇教授

通讯单位：新加坡国立大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学/华南理工大学、中国科学院上海硅酸盐研究所

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研究背景

锂氧（Li-O₂）电池的理论能量密度高达3 500 Wh kg^-1，作为替代电网规模固定储能方案展现出巨大潜力。然而，其关键放电产物Li₂O₂的本征绝缘性易引发电极钝化与极化电压升高，严重限制了容量释放与充放电可逆性。尽管已有研究通过调控产物形貌或引入OER/ORR催化剂以提升反应动力学，仍难以从根本上改善放电产物的绝缘惰性。近年来研究表明，Li₂O₂具有适中的带隙（约3.4 eV），可在紫外光照下发生光激发，为突破其绝缘瓶颈提供了新的思路。然而，由于强激子局域化显著抑制了电子-空穴对的有效分离，使得其光生载流子利用效率较低，光电导提升受限。同时，太阳光中紫外光的占比较低，亦限制了Li₂O₂在实际照射条件下的有效激发。因此，促进Li₂O₂中激子的高效解离并增强载流子分离效率，对于释放其在光辅助Li-O₂体系中改善电荷输运与催化反应动力学的潜力具有重要意义。

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文章简介

近日，新加坡国立大学陈伟团队＆KAUST/华南理工大学韩宇团队合作，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为 “Edge-Dislocated WO₃Photocathode toward Efficient Photo-Assisted Li-O₂Batteries” 的研究论文。该工作围绕Li-O₂电池中放电产物Li₂O₂的本征绝缘性问题，提出构建光阴极@Li₂O₂Z型异质结的全新策略。通过调控光阴极载流子分离行为，增强Li₂O₂中的激子解离效率，从而突破其本征绝缘性对反应动力学的限制，实现高容量与低极化的兼得。

示意图1. Li₂O₂的光激发及通过光阴极设计增强其激子解离的策略。

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本文要点

要点一：Li₂O₂性质调控策略的提出

基于对Li₂O₂的紫外光激发特性的深入理解，该研究提出了一种在光阴极@Li₂O₂界面构建Z型异质结的策略，以调控太阳光下Li₂O₂的激子解离动力学。

示意图1. Li₂O₂的光激发及通过光阴极设计增强其激子解离的策略

要点二：Li₂O₂的紫外光激发特性

紫外-可见光吸收光谱和导电原子力显微镜（C-AFM）等方法系统分析了Li₂O₂薄膜的光激发行为。测试结果表明，Li₂O₂为宽带隙半导体，仅在紫外光范围内表现出明显的光响应特性。C-AFM图像显示，紫外光照射下Li₂O₂薄膜的电流比暗态提高近一个数量级，验证了光照下Li₂O₂光电导的改善。进一步通过恒电位放电实验探讨了不同紫外光强度下Li₂O₂膜的生长行为。扫描电镜（SEM）观察发现，随光强增大，Li₂O₂膜沉积厚度明显增加，由暗态下难以观测的纳米尺度迅速增加到微米尺度，表明光激发有效地突破了Li₂O₂绝缘性带来的生长限制。

图1. 光激发驱动的Li₂O₂生长行为

要点三：光阴极@Li₂O₂Z 型异质结的构建与验证

针对太阳光下Li₂O₂激子解离受限的问题，提出光阴极@Li₂O₂Z型异质结策略以促进Li₂O₂激子解离。通过能带匹配分析与同步光照X射线光电子能谱（SIXPS）验证，WO₃光阴极与Li₂O₂之间成功形成Z型异质结结构。SIXPS结果显示，光照下的W4f光谱与黑暗条件下相比，结合能增加，而Li 1s光谱的结合能降低，表明WO₃中的光生电子与Li₂O₂中的空穴复合，实现了空间电荷的有效分离。原位放电实验进一步支持了这一结论，WO₃@Li₂O₂在放电过程中表现出比原始WO₃更高的光电流密度。

图2. 光阴极@Li₂O₂Z 型异质结的构建。

要点四：缺陷工程助力光阴极载流子调节

为了进一步提高光阴极侧载流子分离效率，采用简单的液氮处理在WO₃纳米片内原位引入刃位错（ED），并对原子结构与载流子动力学进行了详细表征。透射电子显微镜（TEM）结果确认了WO₃中成功引入了刃位错。稳态和时间分辨荧光光谱（TRPL）结果表明，引入刃位错后的ED-WO₃纳米片载流子寿命明显延长。四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）进一步揭示了潜在机制，位错区域负电荷明显富集，与周围形成了内建电场，有效促进了载流子在缺陷区域的快速分离与传输。

图3. 刃位错促进的WO₃光阴极中载流子分离

要点五：光阴极@Li₂O₂Z型异质结策略调控太阳光下Li₂O₂激子解离动力学

基于上述刃位错增强的载流子分离性能，构建了ED-WO₃@Li₂O₂异质结并评价其对Li₂O₂激子解离的促进效果。开尔文探针力显微镜（KPFM）对光暗下的表面电势测试结果显示，在光照下，ED-WO₃@Li₂O₂的表面电势下降幅度（-97 mV）远大于WO₃@Li₂O₂（-46 mV），说明ED-WO₃光阴极对Li₂O₂激子解离的显著促进。这种效应有效促进了放电过程中Li₂O₂膜的持续沉积，SEM结果显示其生长厚度可达18 μm。

图4. 通过光阴极设计调控Li₂O₂激子解离

要点六：光辅助Li-O₂电池性能测试

对ED-WO₃光阴极在Li-O₂电池体系中的电化学性能进行了系统评估。充放电曲线测试表明，在模拟太阳光照条件下，ED-WO₃光阴极电池的极化电压显著降低，仅为0.04 V。光响应开-关测试进一步确认ED-WO₃具有灵敏的光电响应与快速的载流子动力学调控能力。深度放电-再充电的XPS光谱分析显示，在光照下ED-WO₃电极表面的Li₂O₂完全分解，而WO₃电极上则仍残存大量未分解Li₂O₂，验证了ED-WO₃显著提高的氧化能力。此外，在长循环测试中，ED-WO₃保持了相对稳定的极化电压，循环性能远优于WO₃对照组，体现了该策略对于电池长期稳定运行的显著优势。

图5. 电池性能比较

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文章链接

Edge-Dislocated WO₃Photocathode Toward Efficient Photo-Assisted Li-O₂Batteries

https://doi.org/10.1002/adma.202501716

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通讯作者简介

陈伟教授简介：陈伟，新加坡国立大学（NUS）化学系和物理系的正教授、教务长讲席教授，NUS理学院副院长（科研）。他于2001年在南京大学获得化学学士学位，并于2004年在新加坡国立大学化学系获得博士学位。陈伟教授长期聚焦于二维材料表界面调控研究，及其在半导体电子器件，光电器件，类脑计算器件等方面的应用，以及用于能源和环境研究的纳米催化。已发表超过400篇高水平论文，文章被引超过4万余次，H-index 103，并多次入选全球高被引科学家。陈伟教授曾荣获2009年新加坡物理学会纳米技术奖，2012年新加坡青年科学家奖， 2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award, 2023年新加坡研究基金会NRF Investigatorship。陈伟教授课题组主页：https://chenweilab.com

韩宇教授简介：韩宇，于2003年在吉林大学获得博士学位，2003-2008年在新加坡A-Star任研究科学家，2009至2023间，就职于沙特阿卜杜拉国王科技大学，任化学和化学工程系教授。2023年9月，入职华南理工大学，任电子显微中心主任。韩宇博士主要从事多孔材料的合成与应用（催化、分离、水处理），以及电子束敏感材料的高分辨电子显微成像方面的研究，是超低剂量电子显微成像技术的联合发明人。发表学术论文400余篇，其中包括权威期刊如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Materials等，总引用次数超过60,000，H-index大于120。韩宇教授2004年被麻省理工学院《科技评论》杂志评选为百名青年发明家，2006年获新加坡青年科学家奖；2008年获Thomson Reuters Research Fronts Award (汤姆逊研究前沿奖)；2021年获得德国洪堡研究奖；2019-2024连续6年科睿唯安（Clarivate Analytics）高引学者。

韩宇教授课题组主页：https://www2.scut.edu.cn/emc/2023/1228/c37567a531825/page.htm

田章留研究员简介：田章留博士于2018年在上海硅酸盐研究所获得博士学位，导师黄富强研究员，聚焦于能源材料结构的设计与探索研究；2019-2024年在新加坡国立大学化学系从事博士后研究工作，合作导师陈伟教授，聚焦于能源材料的表界面调控研究；2024-2025在南洋理工大学材料学院从事博士后研究工作，合作导师颜清宇教授，聚焦于能源材料的智能化探索。2025年，入职上海硅酸盐研究所，从事金属空气电池方面的研究。发表学术论文35篇其中包括权威期刊如Nature Communications，JACS，Angew, Advance Material，EES等。

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第一作者简介

王萌博士在新加坡国立大学获得博士学位（导师：陈伟教授），并继续在NUS从事博士后研究。现为日本东北大学材料科学高等研究所（AIMR）特任助理教授。王博士的研究聚焦于金属-空气电池中光阴极界面工程、载流子动力学调控与储能反应机制。发表学术论文25篇其中包括权威期刊如Adv. Mater.，Energy & Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.等。

李冠星博士，康奈尔大学，Kavli Institute at Cornell Postdoctoral Fellow，合作导师Prof. David Muller，主要研究课题：低剂量4D-STEM Ptychography在电子束敏感材料中的应用。2018年本科毕业于武汉大学动力与机械学院；2021年在浙江大学材料科学与工程学院取得硕士学位（导师：王勇教授），主要课题是在 in-situ heating TEM下研究氧化物表面原子结构演变；2024年毕业于Saudi Arabia阿卜杜拉国王科技大学（KAUST，导师：韩宇教授），主要课题是使用低剂量TEM技术（如low-dose HRTEM，iDPC-STEM，Ptychography等）对电子束敏感材料（如沸石、MOFs、COFs等）进行高分辨成像。以第一作者（含共一）在Science，Nature Communications，JACS，Chemical Reviews，Science Advances，AM，AFM，Nano Letters等期刊发表论文15篇。