先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学） Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

Li-O₂电池因其超高的理论能量密度得到了研究人员的广泛关注。然而，充放电过程中缓慢的氧还原/氧析出反应（ORR/OER）导致电池大的过电位和低的能量效率。常用的解决方案包括采用固体的正极催化剂和液体的氧化还原媒介。但目前采用的大多数固体催化剂仍存在较大的过电位，液体的氧化还原媒介会穿梭到锂负极，引起副反应，降低电池的能量效率。探索新的反应机理以降低Li-O₂电池大的过电位成为当务之急。

光能是一种清洁、丰富的能源，将其转换成可直接利用的电能对于构建可持续发展的社会至关重要。光电催化水分解和二氧化碳还原在光能转化方面得到了广泛研究。此外，将光能引入到氢-氧燃料电池和锌-空气电池后可显著提升氧还原反应（ORR）的动力学，同时提升电池的输出电压和降低充电电压。选择能带结构合适的半导体成为光能利用的关键，光激发半导体产生的电子和空穴可极大提升电化学反应的动力学。

近日，南开大学化学学院李福军研究员团队采用氮化碳（C₃N₄）作为光正极，利用光能显著提升ORR/OER的动力学，有效促进放电产物Li₂O₂的形成与分解。光照下，放电电压提升到3.22 V，超过了理论平衡电位2.96 V，实现了光能转化为电能。充电电位降低至3.38 V，相当于将光能转化为化学能、存储在电池中。光照下电池的能量效率达到95.3%，与暗处相比，电池的能量密度提升23%。表面增强拉曼研究表明，光照下，放电时O₂捕获C₃N₄导带上产生的光电子，还原为O₂^-，然后与Li⁺结合生成LiO₂，再经过二次电子还原得到最终放电产物Li₂O₂；充电时，价带中的空穴在外加电场的驱动下转移到Li₂O₂，致使其直接分解为O₂和Li⁺。本工作实现了在Li-O₂电池中光能的转化与存储，极大提升了电池的能量效率，为空气电池的发展提供了新的研究思路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是南开大学直博生朱卓（本科毕业于海南大学），李福军研究员为论文的通讯作者。