非质子型锂氧（Li-O₂）电池在过去的十年中受到了广泛的关注，但其正极迟滞的反应动力学导致的充放电过程极化大、能量效率低等问题极大地制约了锂-氧气电池的发展和应用。

近日，南开大学李福军教授报道了Au纳米颗粒（NPs）修饰的含氮空位的C₃N₄等离激元异质结（Au/N_V-C₃N₄）作为双功能催化剂来促进可见光响应型Li-O2电池的氧正极反应。

文章要点

1）Au NPs的等离激元增强效应可大幅提升可见光的吸收，异质结界面处的空间电荷层可延长光生电子和空穴寿命，N_V-C₃N₄上的氮空位可以吸附和活化O₂分子，使光生电子高效注入氧气分子反键轨道，提升氧气还原反应动力学，促进放电产物L_i2O₂的生成；充电时，Au NPs上的空穴以较低的外加电压驱动Li₂O₂氧化成O₂和Li⁺。

2）实验结果显示，Au/N_V-C3N4正极的放电电压可达3.16 V，超过平衡电压约200 mV，在0.05 mA·cm⁻²时充电电压由黑暗下的4.22降至3.26 V，对应的超高往返效率达到了97.0%。即使在电流密度为0.25 mA cm⁻²时，Au/N_V-C₃N₄正极的放电电压和充电电压也分别达到3.08和3.35V。此外，Au/N_V-C₃N₄正极的稳定放电和充电可持续50次循环。

这项研究突出了等离激元增强效应的重要作用，并为可见光介导的Li-O₂电池和其他领域的半导体设计提供了曙光。

参考文献

Zhuo Zhu, et al, Surface plasmon mediates the visible light–responsive lithium–oxygen battery with Au nanoparticles on defective carbon nitride, PNAS, 2021

DOI: 10.1073/pnas.2024619118

https://doi.org/10.1073/pnas.2024619118