近日，我院先进材料与能源器件团队在光辅助锌-空气电池研究领域取得新进展，相关工作“Copper vacancies-driven tensile lattice strain accelerates oxygen reduction in photo-assisted Zn-air batteries cathodes”发表在期刊《Acta Materialia》(2025, 287, 120781)，我院博士研究生李佳佳为论文第一作者，朱前程博士、李玲教授、张文明教授为共同通讯作者。
随着全球能源需求增长和环境问题加剧，高效、清洁、可持续的能源存储技术成为关键课题。锌空气电池（ZABs）因其高理论能量密度（1086 Wh/kg）、低成本和高安全性，被视为极具潜力的储能技术。然而，传统ZABs面临氧还原反应（ORR）动力学缓慢、放电电压低（<1.2 V）、能量效率低（<60%）等挑战。近年来，光辅助锌空气电池应运而生，通过引入半导体材料，利用光生载流子加速ORR，从而提升放电电压和能量效率。然而，该技术仍受限于光生载流子复合快、电极材料吸收光谱范围窄（主要集中于紫外光，仅占太阳光谱4%）等问题。
铜氧化物（CuO）因其优异的可见光吸收能力、热稳定性及易形成金属空位，被认为是理想的光辅助ZABs阴极材料。然而，如何提升CuO的光生载流子分离效率及ORR速率仍是关键挑战。本研究通过引入铜空位（CuO-0.9%VCu），成功构建了具有拉伸应变的CuO结构。铜空位的引入通过Jahn-Teller效应在CuO晶格中产生2.16%的拉伸应变，显著提高光生载流子分离效率和ORR速率。具体而言，铜空位可作为电子-空穴对的陷阱，有效抑制光生载流子复合，使CuO-0.9%VCu光阴极的电荷分离效率达到59%，电子转移效率达70%。实验与理论计算进一步揭示了铜空位诱导的拉伸应变对CuO光催化性能的影响机制。实验结果表明，CuO-0.9%VCu在光照下的起始电位为0.91 V，相较黑暗条件提升140 mV。基于CuO-0.9%VCu的ZABs在1-sun光照下实现1.36 V的放电电压和70.47%的能量效率，循环稳定性超100小时。研究表明，铜空位诱导的拉伸应变不仅提升了CuO的光生载流子分离效率，还优化了ORR反应路径，为光辅助锌空气电池的发展提供了新的思路。
《Acta Materialia》是业内评价较高的TOP期刊，在同学科领域中学术专业权威影响力很大，属于金属顶刊。该研究工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120781
