东南大学材料科学与工程学院孙正明教授课题组在光辅助锌-空气电池方面取得进展，相关成果以“Realizing Unassisted Photo-charging of Zinc-Air Batteries by Anisotropic Charge Separation in Photoelectrodes”为题发表在材料类顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
光电化学反应（PEC）与锌空气电池的耦合，有望在进行光催化反应的同时，将太阳能有效地转化为电能并存储，是一种极具前景的新型光能转化与存储一体化系统。在各种光辅助电池中，安全可靠的锌空气电池得益于其相对较低的充电电压（~2 V），使通过光电极驱动氧化反应原位存储太阳能成为可能。为了高效地给锌空气电池充电，光电极中光生电荷的分离能力必须十分出色。各向异性电荷分离使电荷积聚在理想的晶面，可以有效提高半导体中的电荷分离。然而，筛选具有适当各向异性电荷分离能力的光电极以实现高效的无辅助光充电锌-空气电池存在挑战。
本研究依据光生电荷在不同晶面积累的各向异性，结合理论模拟和开尔文探针成像（KPFM）筛选出具有极佳各向异性光生电荷分离能力的ZnIn2S4纳米片光电极，作为锌空气电池的正极，在光照下实现了1.9 mA cm-2电流密度的光充电，其光能-化学能转换效率为1.45 %。本研究验证了光电极的光生电荷积累与光充电锌空气电池性能之间的因果关系，强调了具有晶面依赖性的各向异性电荷分离能力的半导体光电极对实现无辅助光充电锌空气电池的重要性，为开发更加高效稳定的无辅助光充电锌空气电池提供了理论依据与实验基础。
图1. 光生电荷的各向异性
图2. 无辅助光充电锌空气电池性能
东南大学材料科学与工程学院为该论文第一完成单位，博士生孔令巧为第一作者，东南大学阮秋实讲师、陆成杰博士后和孙正明教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304669