无粘结剂Fe2O3/CuO纳米棒阵列构筑高效稳定光辅助锂氧电池

为解决锂氧电池(LOBs)充放电过电位高、循环寿命短等问题，研究人员通过构建自支撑p-n型异质结构Fe2O3/CuO纳米棒阵列光阴极，在光照条件下实现1.15V低过电位和240次循环稳定性，为新型能源存储器件开发提供新策略。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，开发高效清洁的储能技术成为科学界紧迫任务。锂氧电池(LOBs)因其超高理论能量密度(≈3500 Wh kg^?1)被视为下一代储能系统，但氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学导致高过电位和循环稳定性差，严重制约其实际应用。传统催化剂如贵金属成本高昂，过渡金属氧化物活性不足，而可溶性氧化还原介质(RMS)稳定性差。近年来，光催化技术通过利用光生电子(e^-)促进ORR、空穴(h⁺)加速Li₂O₂分解，为降低过电位提供了新思路，但现有光电极材料普遍面临电流密度低、循环时间短等瓶颈。

江苏高校优势学科建设工程资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过原位生长法在铜泡沫上构建无粘结剂p-n型异质结构Fe₂O₃/CuO纳米棒阵列(NRA)，利用能带优化显著提升光生载流子分离效率。关键技术包括：铜泡沫基底预处理、水热法合成Cu(OH)₂纳米棒、热处理转化为CuO、铁前驱体沉积及二次热处理形成异质结构。电化学测试采用标准三电极体系，光辅助性能在模拟太阳光下评估。

结果与讨论

1. 材料制备与表征：通过阶梯式热处理将Cu(OH)₂转化为Fe₂O₃/CuO异质结构，SEM显示纳米棒垂直生长形成三维多孔框架，XRD证实两相共存。
2. 光电性能：UV-Vis显示宽光谱吸收，Mott-Schottky测试确定p-n型能带排列，PL光谱证实异质结有效抑制载流子复合。
3. 电化学行为：在0.5 mA cm^?2和0.25 mAh cm^?2条件下，光照使过电位降至1.15V，较黑暗条件降低43%。
4. 循环稳定性：异质结构协同光照作用使循环寿命达240次，原位拉曼证实Li₂O₂可逆生成/分解动力学增强。

结论与意义
该研究创新性地将p型CuO与n型Fe₂O₃异质结应用于光辅助LOBs，通过能带工程实现三大突破：①无粘结剂设计降低界面电阻；②可见光响应范围拓宽至650nm；③光生载流子利用率提升使OER过电位较传统催化剂降低58%。这项工作不仅为设计高电流密度(>0.4 mA cm^?2)光电极提供新范式，其原位生长策略对开发其他金属氧化物异质结储能材料具有普适性指导价值。