Applied Physics Review综述：离子束技术在可再生能源(光)电催化中的应用

研究背景

为了实现人类的可持续发展，开发环境友好，可再生并且廉价易得的新能源转化与存储方式具有重大的意义。以水分解制氢，燃料电池等为代表的（光）电催化能源存储与转换技术是其中的关键技术之一。为了发展高催化活性，稳定性优异的(光)电化学催化材料，需要对催化材料进行合理设计，制备和改性。离子束技术作为一种高效和精确的物理改性手段，可以实现材料多维度的改性。

成果介绍

近日，武汉大学任峰教授课题组在Applied Physics Reviews（IF 17.05）上发表了题为“Application of Ion beam Technology in (Photo)electrocatalytic Materials for Renewable Energy”的综述，介绍了离子束技术的基本原理和优势特点，综述了课题组近十年来以及国际上离子束技术在高性能催化材料改性上的应用研究工作。论文入选了编辑推荐。

图文导读

图1. 离子注入机结构示意

图2. 离子注入技术催化材料改性设计策略

图3. Fe离子注入形成Fe掺杂TiO₂

图4. He⁺离子辐照实现g-C₃N₄光催化剂缺陷调控

图5. H⁺离子注入在TiO₂纳米管顶端形成黑色TiO₂

图6. N⁺离子注入形成N掺杂TiO₂

图7. Au离子注入在Fe₂O₃纳米棒阵列表面形成纳米Au颗粒构筑异质结构

图8. N离子辐照形成TiO₂纳米棒阵列结构

图9. He⁺离子辐照在TiO₂纳米棒内部形成纳米空腔结构

图10. Au⁺离子辐照MoS₂空位缺陷调控

图11. 金属离子注入在碳布内嵌入金属纳米颗粒

图12. Ar⁺离子辐照在Si表面形成纳米孔道结构

图13.C⁺离子辐照PtPb纳米板缺陷调控

图14. Ni⁺-Ti⁺依次注入在ITO内控制形成纳米颗粒

图15. N⁺离子注入用于不同掺杂N物种的ORR机理比较研究

结论展望

基于离子束在材料中引入异质原子和造成材料中原子位移的效应，离子束技术能够实现掺杂，引入缺陷，表面溅射等功能。离子注入技术可以强制实现几乎所有元素的精确掺杂，并且不引入其他杂质。离子束技术作为一种高效而灵活的技术，能够通过多种参数（离子种类，能量，剂量，束流，靶温度等）在极大范围内的调整，实现材料各种目的的改性，并保持很好的可重复性和可再现性，能够适应大规模生产。离子束的不同功能效应(掺杂效应，注入/辐照损伤效应，溅射效应)可以在催化材料改性上有多方面的应用。通过离子束的各种功能效应，离子束能够实现各种催化材料的能带调控，缺陷调控，纳米结构调控，异质结构调控等多种策略，从而实现各种（光）电催化材料的性能优化提升。在未来，离子束技术在催化领域还可以有许多进一步的发展。（1）进一步深入的理论计算研究可以更加优化离子种类，能量，剂量的选择。离子束技术能够实现多种元素的同时掺杂，实现多元素协同掺杂效应，为催化材料的改性提供更广阔的发展空间。（2）离子束技术是一种高度可控可定量的技术。对离子注入/辐照过程与催化剂材料结构变化之间关系的深入机理研究，可以为探索揭示催化材料的构效关系提供助力。（3）目前离子束技术在催化领域中的应用较集中于少数几种材料体系的中等能量的离子注入掺杂和离子辐照。选择不同的离子束方法，以及进一步将它们结合起来，离子束技术还可以应用于许多新的材料体系，实现新的应用方法。

文献链接：Application of Ion beam Technology in (Photo)electrocatalytic Materials for Renewable Energy (Appl. Phys. Rev., 2020, DOI: 10.1063/5.0021322)

通讯作者简介

任峰，武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，教育部新世纪人才计划入选者。2006年获得武汉大学理学博士学位。2008年至2010年先后在美国UC, Berkeley/Lawrence Berkeley国家实验室和Los Alamos国家实验室从事博士后和客座研究。任峰教授课题组长期从事离子束与固体相互作用及其离子束技术在能源材料领域的应用研究工作， 包括用于催化分解水制氢的半导体、金属光/光电/电催化电极的离子束改性、新型先进核反应堆用纳米结构抗辐照核材料的制备和离子束性能评价等。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等期刊上发表SCI论文60余篇。

本文由作者团队供稿。