余俞堂:半导体量子点用于能源转化与储存【AFM,2023】
发布时间:2023-03-13 阅读:114次
不可再生能源的大量使用造成一系列的能源危机和环境问题,应对这些问题的一个解决方法是开发可再生能源。地球上存在丰富的太阳能,光催化、光电催化、太阳能电池能够将太阳能转化为化学能或电能,在清洁能源转化方面展现出无限前景。这些能源转化装置主要依赖特定功能材料的活性。此外,为了更充分地利用太阳能,开发储能材料和装置以实现绿色能源的稳定再供应和再分配是很必要的,这对活性材料的设计和多学科研究都提出了挑战。在众多纳米材料中,半导体量子点由于其易于合成、新颖的结构和独特的性质,被认为是最有前景的活性材料之一,可以有效地将能源转化和存储为其他形式。然而,目前尚缺乏对半导体量子点在清洁能源转化和储存的系统总结和深入理解。
据此,我校材料科学与工程学院博士生余俞堂在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授与张以河教授的指导下,综述了该领域的相关研究,系统地总结了半导体量子点的分类、制备方法、特点与优势,以及其在能源转化与存储领域的具体应用:
1. 粒径尺寸小于激子玻尔半径的量子点(一般< 10nm)在块体材料和离散原子之间具有独特的性质。本文将半导体量子点分为金属氧化物、硫族化合物、卤化物、多元含氧化物和非金属量子点。
2.半导体量子点的合成方法可以分为自上而下和自下而上两种。自上向下的方法由于工艺相对简单,可以用于大部分半导体量子点的制备,适合大规模制备。而自下向上策略具有原子利用率高、尺寸和结构可控等优点,而且可以调节量子点的生长过程,从而更容易实现表面修饰和核壳结构的构建。
3. 半导体量子点由于尺寸效应、多激子产生效应、丰富的表面位点等在能源转化中表现出优异的性能;半导体量子点由于其结构能缓冲电极体积膨胀、有较低的电荷转移阻力、短的离子扩散距离等特点,在储能应用中也表现出一定的优势。
4. 系统地总结半导体量子点在能源转化与存储的基本原理和具体应用,包括光催化能源转化、电催化能源转化、光电催化能源转化、太阳能电池、可充电电池、超级电容器等。
本文系统地总结了半导体量子点在能源转化和存储领域的应用研究进展,有望为能源多领域交叉研究中先进功能材料的合理设计和开发提供参考和借鉴。
图1 半导体量子点用于能源转化与储存示意图
图2 a) 半导体光催化能源转化过程示意图;b) 量子点敏化太阳能电池的工作原理图;c-e) 可充电电池的充放电工作原理图: c) 碱金属离子电池,d) 锂硫电池,e) 金属空气电池
上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上:Yutang Yu, Tianyi Ma, and Hongwei Huang*. Semiconducting Quantum Dots for Energy Conversion and Storage. Adv. Funct. Mater. 2023, 2213770. [IF2021=19.924]