西北工业大学贺亦柏等：光电协同—异质结界面工程打通硫转化快速通道

研究背景

资源枯竭与环境污染问题推动了可再生能源的开发，锂硫电池因高理论能量密度(2600 Wh kg⁻¹)成为下一代储能技术的理想候选，但其实际应用受限于硫转化动力学缓慢、多硫化物穿梭效应等缺陷，导致容量衰减快、循环稳定性差。为解决这些问题，研究人员尝试引入光、磁等物理场优化多硫化物转化过程，其中光辅助策略不仅能提升动力学性能，还可将太阳能转化为化学能，兼具能量存储与收集潜力，因此设计高效光电极成为光辅助锂硫电池体系的核心方向。现有研究已开发出多种光电极材料，但存在光生载流子分离效率低、循环稳定性不足等问题。在此背景下，开发新型有机-无极杂化光电极，通过异质结构筑内建电场调整载流子路径增强光生载流子分离效率、加速硫氧化还原动力学，成为提升锂硫电池电化学性能的关键探索方向。

Ultrafast Sulfur Redox Dynamics Enabled by a PPy@N-TiO₂ Z-Scheme Heterojunction Photoelectrode for Photo-assisted Lithium-Sulfur Batteries

Fei Zhao, Yibo He*, Xuhong Li, Ke Yang, Shuo Chen Yuanzhi Jiang Xue-Sen Wang, Chunyuan Song, Xuqing Liu

Nano-Micro Letters (2026)18: 92

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01946-3

本文亮点

1. 异质协同，动力学跃升：构建聚吡咯包覆N掺杂TiO₂(PPy@N-TiO₂)异质结光电极体系，通过光辅助作用实现双重增益。异质结界面工程提升光生载流子分离效率提升，加速硫氧化还原反应，解决动力学缓慢与容量衰减核心问题。

2. 光电融合，性能突破：创新光-电协同驱动模式，赋予锂硫电池优异综合性能。既达成1653 mAh g⁻¹的超高放电容量，又实现5小时光充电输出333 mAh g⁻¹的双模式能量利用，在光能源转化方面展现突出优势。

内容简介

针对锂硫电池的硫转化动力学缓慢与多硫化物穿梭问题，西北工业大学贺亦柏课题组提出了一种基于“光-电协同催化”的创新方案：通过构筑具有界面内建电场的PPy@N-TiO₂ p-n异质结光电极，在动力学与稳定性两方面实现了系统性优化。在动力学层面，异质结内建电场促进了光生载流子的有效分离，结合光‑电协同催化作用，显著加速了多硫化物的氧化还原反应，成功克服了传统锂硫电池反应动力学缓慢的问题。在稳定性层面，光生载流子的定向迁移增强了对多硫化物的吸附锚定；光催化效应减少了多硫化物的累积；光致电荷的局域分布优化了硫物种的转化路径。这些机制共同减轻了多硫化物在电解液中的溶解与扩散，有效缓解了穿梭效应。该策略无需复杂电极改性工艺，仅通过精准的异质结界面设计与光-电协同机制调控，同步提升了锂硫电池的容量发挥与循环稳定性，为新型光辅助储能体系的发展提供了创新性思路。

图文导读

I 光-电协同：PPy@N-TiO₂光电极解锁多硫转化新路径

图1展示了PPy@N-TiO₂/CC光电极的制备、形貌及所组装光辅助锂硫电池的工作机制：通过N掺杂窄化TiO₂带隙以提升可见光催化性，再引入p型PPy形成p-n异质结，利用内建电场促进载流子分离，延长光生电子/空穴寿命。光照下，光生电子/空穴经内建电场分，放电时光生电子助力硫还原为Li₂S，充电时光生空穴催化Li₂S氧化为S8，光-电催化协同加速硫的双向转化，提升活性物质利用率并抑制多硫化物穿梭。经水热法，配位热处理和气相聚合法所制备的PPy@N-TiO₂纳米棒均匀生长于碳纤维表面，这种有序结构为电荷传输与缓解体积膨胀提供支撑。

图1. PPy@N-TiO₂/CC光电极组装光辅助锂硫电池的工作机制及其制备、形貌。

II 异质结表征：PPy@N-TiO₂的结构表征及DFT分析

通过XRD、FT-IR和XPS对PPy@N-TiO₂/CC光电极进行结构与化学态分析。XRD结果显示，水热法制备的TiO₂为纯金红石相，TiN特征峰证实N掺杂成功，而PPy因无定形结构未出现对应特征峰。FT-IR同样证实PPy成功合成。XPS分析表明，PPy@N-TiO₂/CC中N元素存在–NH–(399.8 eV)、–N⁺–(401.2 eV)和=N⁺–(402.9 eV)三种状态，证实PPy的极化子与双极化子态；Ti 2p光谱出现Ti³⁺特征峰，表明材料表面存在缺陷，这有利于延长光生载流子的寿命。

UV-Vis光谱显示，PPy@N-TiO₂/CC较TiO₂/CC显著拓展可见光吸收范围，其带隙窄至2.17 eV。莫特-肖特基测试证实N-TiO₂/CC为n 型半导体、PPy@CC 为p型半导体，而PPy@N-TiO₂/CC呈现“倒V”形曲线，证明p-n异质结成功构建。DFT计算表明，PPy与N-TiO₂界面存在明显电荷交换，电子从N-TiO₂迁移至PPy形成内建电场；TDOS和PDOS分析显示，二者轨道相互作用形成新能带，显著提升电荷传输能力与光催化活性。

图2. PPy@N-TiO₂/CC光电极的结构表征及DFT计算。

III 光电协同催化机理：界面调控与硫转化过程

通过XPS、Raman、XRD、原位EIS及DRT分析，系统探究了光生载流子对光辅助锂硫电池电化学性能与反应过程的影响。测试结果表明，光照可有效降低电池极化、提升充放电容量与反应动力学，加速硫物种双向转化。放电过程中硫向硫化锂转化更充分，充电时硫化锂向硫的氧化更彻底，多硫化物积累显著减少，活性物质利用率大幅提升。DRT分析进一步揭示，光照通过光电导与光催化协同作用，优化了电池欧姆传导、电荷转移及多硫化物扩散等关键过程，抑制了固态电解质界面膜的破坏，减少了副反应发生，使整个电化学过程更稳定高效，充分证实了PPy@N-TiO₂/CC光电极的光-电协同催化优势。

图3. PPy@N-TiO₂/CC光电极的催化机理。

IV 实现光辅助锂硫电池高硫利用率与长循环协同优化

进一步探究了光照对PPy@N-TiO₂/CC基光辅助锂硫电池电化学性能的影响。测试结果显示，光照使电池光响应能力显著提升，有效降低载流子复合率，促进多硫化物的氧化还原反应，电池内部各项阻抗均有所减小。研究证实，光照条件下电化学动力学性能提升主要源于光电导与光催化的协同作用。光照通过多重途径优化电池性能：不仅降低了反应能垒，还改善了锂离子扩散动力学，调控了硫化锂的成核与沉积模式，使放电产物以薄膜状均匀沉积于电极表面，保留更多活性位点，避免了无光照时产物团聚导致的活性位点堵塞。得益于这些优势，电池极化电压显著降低，放电容量大幅提升，倍率性能与循环稳定性均得到改善，即便在高硫负载条件下仍能表现优异，充分证实了PPy@N-TiO₂/CC光电极的光-电协同催化优势。

图4. PPy@N-TiO₂/CC光电极组装光辅助锂硫电池在黑暗和光照条件下的电化学性能。

为研究PPy@N- TiO₂/CC形成的p-n异质结在催化过程中的作用，研究对比了TiO₂CC、N-TiO₂/CC与PPy@N-TiO₂/CC三种光电极组装的光辅助锂硫电池的电化学性能。结果显示，PPy@N-TiO₂/CC电池的界面接触电阻与电荷转移阻抗最小，CV曲线呈现最小极化电压和最大峰值电流，Tafel拟合证实其光照下催化能力最优。这归因于p-n异质结通过内建电场提升了光生载流子分离效率，通过光电导与光催化协同作用增加体系载流子浓度，强化电化学反应动力学。PPy@N-TiO₂/CC电池的放电容量(0.1 C为1653 mAh g⁻¹)、倍率性能均显著优于其他两种电极体系，且循环稳定性突出，容量衰减速率低。相比之下，N-TiO₂/CC电池在循环中容量快速衰减，TiO₂/CC电池对光照无明显响应，充分印证了p-n异质结对提升光辅助锂硫电池催化性能的关键作用。

图5. 不同光电极组装光辅助锂硫电池在光照条件下的电化学性能。

V 光充电性能评估与应用前景探索

为探究PPy@N-TiO₂/CC光辅助锂硫电池的实际应用潜力，本部分重点评估了其光充电性能。结果表明，该系统可实现高效光充电，具备良好的整体太阳能量转换效率(0.33%)，并可稳定循环11圈。在不同实际环境中，电池均具有良好的光充电性能。此外，通过驱动电子温度计、玩具小车等实际应用演示，验证了该电池在无外部电源条件下仅依靠光照即可恢复供电的能力，展现出太阳能转换与储能一体化的应用优势，特别适用于高海拔、航空等特殊环境场景。这些结果充分体现了该光辅助储能体系的实际可行性与应用前景。

图6. 光辅助锂硫电池的实用性评估。

VI 总结

本研究设计了一种具有直接Z型异质结结构的自支撑PPy@N-TiO₂/CC多功能光电极，用于构建高性能光辅助锂硫电池。该光电极兼具电催化与光催化双重功能：通过电催化有效促进多硫化物中间体转化，抑制充放电过程中的副反应；同时可以通过光催化、光电导和光充电效应的协同作用，显著提升硫还原与析出反应动力学。

PPy与N-TiO₂之间形成的p-n异质结产生强内建电场，大幅提升了光生载流子分离效率与整体太阳能转换效率。基于光电协同催化机制，所构建的光辅助锂硫电池表现出优异的电化学性能：在0.1 C倍率下实现1653 mAh g⁻¹的高比容量，4 C倍率下仍保持599 mAh g⁻¹的容量，3 C循环328次后容量保持率达61.7%。

该光辅助电池系统可在无外接偏压下实现光充电，光照5小时后获得333 mAh g⁻¹的可逆容量，整体太阳能转换效率达到0.33%。这项工作不仅推动了高性能光辅助储能器件的发展，更为太阳能收集与存储一体化提供了创新范式。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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