近日，中国科学院化学研究所黄长水研究员、李玉良院士团队在太阳能转换与存储领域取得重要进展。研究团队提出了一种前驱体预定制的化学合成策略，通过原子级精确的氮掺杂策略，成功合成了一系列氮取代数可控的石墨炔（N-GDY）材料，实现了对其能带结构的连续、精准调控。其中，具有最优带隙（1.95 eV）的2N-GDY，在作为光电极应用于太阳能锌-空气电池（SZAB）时，展现出了卓越的性能，在太阳光照射下，电池充电电压显著降至1.25 V，电池效率高达96.8%，充放电电压差仅为0.04 V，并在单色光（420 nm）下实现了4.55%的转换效率。该工作定制带隙、态密度与载流子动力学的方法，为通过分子尺度的能带工程设计高性能、集成化的太阳能充电电池提供了全新范式。相关成果以“Bandgap-Regulation for Directly Solar Energy Conversion in Zinc-Air Battery with 4.55% PCE”为题，发表于《Angewandte Chemie》。
背景介绍
将间歇性的太阳能直接转化为化学能并存储于电池中，是构建未来清洁能源体系极具前景的解决方案。可直接转换太阳能的锌-空气电池（SZAB）因其高理论能量密度和成本优势而备受关注。然而，其发展面临核心瓶颈：传统半导体光电极材料存在光吸收范围窄、光生载流子复合严重、光电性质与催化活性不匹配等问题，导致器件效率低下、稳定性差。因此，开发兼具宽谱光吸收、高效电荷分离/传输及优异催化活性的新型电极材料迫在眉睫。石墨炔（GDY）作为一种新兴的二维碳材料，具有天然的带隙、可调的电子结构和高的载流子迁移率，其原子级结构可修饰性为精准调控能带和性能提供了独一无二的平台。
本文亮点
1. 能带的原子级精准裁剪
通过精确合成三种氮原子取代数分别为1、2、3的N-GDY（1N-, 2N-, 3N-GDY），成功实现了对材料带隙从1.61 eV到2.18 eV的连续、可控调节，为理性设计光电材料提供了清晰的范例。
2. 平衡光吸收与电荷分离的最优解
研究发现，具有中等带隙（1.95 eV）的2N-GDY，在宽谱可见光吸收与高效光生载流子分离之间取得了最佳平衡，其性能显著优于带隙过窄（1N-GDY）或过宽（3N-GDY）的材料。
3. 高效稳定的集成器件性能
基于2N-GDY构建的太阳能锌-空气电池，在光照下表现出显著降低的充电电压（1.25 V）、高达96.8%的电池效率及出色的循环稳定性。提出了“带隙-波长-光强”多参数协同优化策略，通过优化入射光波长和光强将光转换效率提升至4.55%。
图1：N-GDYs的合成与化学结构表征
图2：N-GDYs的形貌表征
研究通过精准设计含不同氮原子的三炔前驱体，采用改进的Glaser-Hay偶联反应，在碳布上原位合成了三种N-GDY。XPS和Raman光谱证实了材料的高纯度与预期的化学结构，其中N/(C+N)原子比与理论值高度吻合，验证了原子级精准掺杂的成功实现。
TEM和HRTEM图像显示，所有N-GDY均呈现均匀的纳米片形貌，并具有清晰的二维晶格条纹和微米级的晶畴，表明材料具有高度结晶性。其中，3N-GDY因过量掺杂在晶格中引入少量缺陷。
图3：基于N-GDYs的SZAB电化学性能
性能测试表明，2N-GDY基SZAB在所有材料中表现最优。在光照下，其充电电压大幅降低，在1 mA cm-2电流密度下仅需1.25 V，电池效率从无光照的62.9%跃升至96.8%。器件在240次循环后仍保持0.04 V的超低电压差，展现出卓越的稳定性与光响应可重复性。
图4：N-GDYs的能带结构表征与理论计算
UV-vis和UPS测试直接证实，随着N原子数增加，GDY的带隙被系统性地打开。能带结构图清晰地展示了三种材料的价带/导带位置变化。DFT计算进一步揭示，N的引入显著改变了费米面附近的电子态密度，N-p轨道的贡献随掺杂量增加而增强，从电子结构层面解释了能带调控的根源。
图5：波长与光强调控及能量匹配机制
研究深入探索了外部光场与材料能带的匹配优化。波长调控：在420 nm单色光（与2N-GDY带隙最佳匹配）下，器件PCE达到峰值，实现了光子能量的最大化利用。
光强调控：发现在低光强下光的利用效率更高，光强增加则加剧缺陷态复合，导致PCE下降，实现了高达4.55%的光电转换效率。这揭示了器件性能受载流子生成与复合动态平衡控制的本质。
总结与展望
该研究通过原子级氮掺杂策略，精准调控了石墨炔的能带结构。优化的2N-GDY材料在宽谱光吸收与高效电荷分离间取得了最佳平衡，基于其构建的太阳能锌-空气电池实现了1.25 V的低充电电压、96.8%的高电池效率及4.55%的功率转换效率。这项研究为二维功能材料的理性开发提供了清晰、高效的路径。该策略不仅在本工作中实现了性能突破，其设计思路与方法还可迁移至光催化、光电传感及清洁能源转换等多个重要领域，从而加速高性能、多用途功能器件的研发进程，并为发展高效、集成的分布式光能转换与存储技术奠定了关键基础。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202517650
