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Surface plasmon mediates the visible light–responsive lithium–oxygen battery with Au nanoparticles on defective carbon nitride

双功能 材料科学 锂(药物) 纳米颗粒 电池(电) 等离子体子 光电子学 纳米技术 光化学 化学 催化作用 物理 内分泌学 功率(物理) 医学 量子力学 生物化学
作者
Zhuo Zhu,Youxuan Ni,Qingliang Lv,Jiarun Geng,Wei Xie,Fujun Li,Jun Chen
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:118 (17) 被引量:93
标识
DOI:10.1073/pnas.2024619118
摘要

Aprotic lithium-oxygen (Li-O2) batteries have gained extensive interest in the past decade, but are plagued by slow reaction kinetics and induced large-voltage hysteresis. Herein, we use a plasmonic heterojunction of Au nanoparticle (NP)-decorated C3N4 with nitrogen vacancies (Au/NV-C3N4) as a bifunctional catalyst to promote oxygen cathode reactions of the visible light-responsive Li-O2 battery. The nitrogen vacancies on NV-C3N4 can adsorb and activate O2 molecules, which are subsequently converted to Li2O2 as the discharge product by photogenerated hot electrons from plasmonic Au NPs. While charging, the holes on Au NPs drive the reverse decomposition of Li2O2 with a reduced applied voltage. The discharge voltage of the Li-O2 battery with Au/NV-C3N4 is significantly raised to 3.16 V under illumination, exceeding its equilibrium voltage, and the decreased charge voltage of 3.26 V has good rate capability and cycle stability. This is ascribed to the plasmonic hot electrons on Au NPs pumped from the conduction bands of NV-C3N4 and the prolonged carrier life span of Au/NV-C3N4 This work highlights the vital role of plasmonic enhancement and sheds light on the design of semiconductors for visible light-mediated Li-O2 batteries and beyond.
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