Applied Physics Review綜述：離子束技術在可再生能源(光)電催化中的應用

研究背景

為了實現人類的可持續發展，開發環境友好，可再生并且廉價易得的新能源轉化與存儲方式具有重大的意義。以水分解制氫，燃料電池等為代表的（光）電催化能源存儲與轉換技術是其中的關鍵技術之一。為了發展高催化活性，穩定性優異的(光)電化學催化材料，需要對催化材料進行合理設計，制備和改性。離子束技術作為一種高效和精確的物理改性手段，可以實現材料多維度的改性。

成果介紹

近日，武漢大學任峰教授課題組在Applied Physics Reviews（IF 17.05）上發表了題為“Application of Ion beam Technology in (Photo)electrocatalytic Materials for Renewable Energy”的綜述，介紹了離子束技術的基本原理和優勢特點，綜述了課題組近十年來以及國際上離子束技術在高性能催化材料改性上的應用研究工作。論文入選了編輯推薦。

圖文導讀

圖1.?離子注入機結構示意

圖2.?離子注入技術催化材料改性設計策略

圖3.?Fe離子注入形成Fe摻雜TiO₂

圖4.?He⁺離子輻照實現g-C₃N₄光催化劑缺陷調控

圖5.?H⁺離子注入在TiO₂納米管頂端形成黑色TiO₂

圖6.?N⁺離子注入形成N摻雜TiO₂

圖7.?Au離子注入在Fe₂O₃納米棒陣列表面形成納米Au顆粒構筑異質結構

圖8.?N離子輻照形成TiO₂納米棒陣列結構

圖9.?He⁺離子輻照在TiO₂納米棒內部形成納米空腔結構

圖10.?Au⁺離子輻照MoS₂空位缺陷調控

圖11.?金屬離子注入在碳布內嵌入金屬納米顆粒

圖12.?Ar⁺離子輻照在Si表面形成納米孔道結構

圖13.C⁺離子輻照PtPb納米板缺陷調控

圖14.?Ni⁺-Ti⁺依次注入在ITO內控制形成納米顆粒

圖15.?N⁺離子注入用于不同摻雜N物種的ORR機理比較研究

結論展望

基于離子束在材料中引入異質原子和造成材料中原子位移的效應，離子束技術能夠實現摻雜，引入缺陷，表面濺射等功能。離子注入技術可以強制實現幾乎所有元素的精確摻雜，并且不引入其他雜質。離子束技術作為一種高效而靈活的技術，能夠通過多種參數（離子種類，能量，劑量，束流，靶溫度等）在極大范圍內的調整，實現材料各種目的的改性，并保持很好的可重復性和可再現性，能夠適應大規模生產。離子束的不同功能效應(摻雜效應，注入/輻照損傷效應，濺射效應)可以在催化材料改性上有多方面的應用。通過離子束的各種功能效應，離子束能夠實現各種催化材料的能帶調控，缺陷調控，納米結構調控，異質結構調控等多種策略，從而實現各種（光）電催化材料的性能優化提升。在未來，離子束技術在催化領域還可以有許多進一步的發展。（1）進一步深入的理論計算研究可以更加優化離子種類，能量，劑量的選擇。離子束技術能夠實現多種元素的同時摻雜，實現多元素協同摻雜效應，為催化材料的改性提供更廣闊的發展空間。（2）離子束技術是一種高度可控可定量的技術。對離子注入/輻照過程與催化劑材料結構變化之間關系的深入機理研究，可以為探索揭示催化材料的構效關系提供助力。（3）目前離子束技術在催化領域中的應用較集中于少數幾種材料體系的中等能量的離子注入摻雜和離子輻照。選擇不同的離子束方法，以及進一步將它們結合起來，離子束技術還可以應用于許多新的材料體系，實現新的應用方法。

文獻鏈接：Application of Ion beam Technology in (Photo)electrocatalytic Materials for Renewable Energy (Appl. Phys. Rev., 2020, DOI:?10.1063/5.0021322)

通訊作者簡介

任峰，武漢大學物理科學與技術學院教授，博士生導師，國家自然科學基金委優秀青年基金獲得者，教育部新世紀人才計劃入選者。2006年獲得武漢大學理學博士學位。2008年至2010年先后在美國UC, Berkeley/Lawrence Berkeley國家實驗室和Los Alamos國家實驗室從事博士后和客座研究。任峰教授課題組長期從事離子束與固體相互作用及其離子束技術在能源材料領域的應用研究工作， 包括用于催化分解水制氫的半導體、金屬光/光電/電催化電極的離子束改性、新型先進核反應堆用納米結構抗輻照核材料的制備和離子束性能評價等。至今在Physical Review Letters，Matter，Acta Materialia，Nuclear Fusion，Applied Physics Letters，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Journal of Nuclear Materials等期刊上發表SCI論文60余篇。

本文由作者團隊供稿。