通過缺陷工程提升CuAlO2在可見光下的光（電）催化性能

一、 【導讀】 ?

在最新在線出版《Acta Materialia》中，昆明理工大學趙宗彥教授團隊、云南大學柳清菊教授團隊、中科院寧波材料所況永波研究員團隊合作發表的研究工作展示了如何通過缺陷工程策略顯著提升寬帶隙半導體材料CuAlO₂的光（電）催化性能。研究團隊通過引入特定的復合本征缺陷，有效地將CuAlO₂的光譜吸收范圍擴展至可見光區域，并顯著提升了材料在可見光照射條件下的光催化降解效率、光催化水分解效果和光陰極的光電流密度。這一創新性成果不僅為環境凈化和氫能源生產開辟了新的策略，也為優化半導體材料的光電性能提供了新的思路。研究團隊還利用第一性原理計算，深入分析了復合本征缺陷在光（電）催化過程中的作用，為材料改性和材料設計提供新的研究案例和思路。

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二、【成果掠影】

在這項工作中，研究團隊通過缺陷工程的優化設計、精確控制高溫固相反應工藝，顯著提升了CuAlO₂材料在可見光照射下的光（電）催化性能。這項研究工作的核心在于精確控制本征缺陷的類型、濃度和組合，這一過程通過在高溫固相反應過程中調整氧氣分壓來實現。研究團隊通過在混合氧-氬氣氛下進行定制的固態反應，成功地在CuAlO₂中形成復合本征缺陷[O_i?+ Cu_Al]。此方法成功擴展了材料的可見光吸收范圍，并優化了光生電子-空穴對的分離及傳輸效率。因此，在可見光照射下，光催化降解效率顯著提升了2.13倍；光催化水分解制氫的速率提高了10.78倍；光電流密度也增加了10.25倍。

為了深入理解這一現象，研究團隊還利用第一性原理計算，結合實驗數據，探討了復合本征缺陷在光（電）催化過程中的作用機制。這些發現揭示了復合本征缺陷的引入如何通過形成額外的缺陷能級，促進價帶電子能被可見光激發，同時降低價帶位置，增強光生空穴的氧化能力。這些理論基礎為CuAlO₂的光（電）催化性能提供了新的視角，并為其他半導體材料的改性提供了新的思路。

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?三、【核心創新點】

1、復合本征缺陷的引入：在CuAlO₂中可控地引入復合本征缺陷[O_i + Cu_Al]，促使寬帶隙半導體CuAlO₂能夠顯著地吸收可見光。

2、光（電）催化性能的顯著提升：通過缺陷工程，CuAlO₂在可見光照射下的光催化降解效率提高了2.13倍，光催化水分解產氫速率增加了10.78倍、光電流密度提升了10.25倍。

3、光生電子-空穴對分離效率的優化：復合本征缺陷的引入不僅提高了光吸收，還優化了光生電子-空穴對的分離。

4、環境凈化與能源生產的雙重潛力：這一研究成果不僅有助于環境凈化，如降解有機污染物，還在太陽能轉換和氫能源生產方面展現出應用潛力。

?四、【數據概覽】

圖1、在銅鐵礦CuAlO₂中引入復合本征缺陷的高溫固相反應制備工藝示意圖

圖2、含有不同比例本征復合缺陷的CuAlO₂樣品的（a）紫外-可見漫反射吸收光譜和（b）能帶位置示意圖。右圖展示的是所制備CuAlO₂樣品的實物照片。

圖3、所制備的CuAlO₂樣品的光催化分解水的析氫速率：（a）全光譜照射，（b）可見光照射下，（c）在全光譜照射的三輪循環測試。

圖4、（a）CuAlO₂不同本征點缺陷及其復合物的形成能，（b）所制備的CuAlO₂樣品的PL光譜，（c）含有不同本征缺陷的CuAlO₂的態密度對比。

五、【成果啟示】

這項研究工作通過精準的缺陷工程策略，顯著提升了寬帶隙半導體CuAlO₂在可見光激發下的光（電）催化性能，為環境凈化和高效生產氫能源開拓了有潛力的材料。這一成果不僅凸顯了缺陷工程在提升半導體材料性能方面的核心地位，尤其是在實現可見光吸收和光催化效率方面，同時也展現了材料設計的新理念：通過精細調控材料內部缺陷來實現半導體性能的優化，這一策略對其他材料的改良具有很好的啟發作用。研究團隊的跨學科協作，為半導體材料在多個領域的創新設計和應用提供了創新思路和研究案例。

?第一作者：張佳欣

通訊作者：趙宗彥，柳清菊，況永波

通訊單位：昆明理工大學，云南大學，中科院寧波材料所

論文信息：

Harnessing intrinsic defect complexes for visible-light-driven photocatalytic activity in Delafossite CuAlO₂, Acta Materialia, 2024, 269, 119801.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119801

本文由昆明理工大學趙宗彥團隊供稿。