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东南大学朱斌教授领衔在EER发表综述论文：清洁能源转换与储存中的半导体电化学
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Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》，简称EER)，该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域最新研究进展。EER是全球首本专注于电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖电化学能源转换与存储所有学科，包括燃料电池、锂电池、金属离子电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO2转换等。EER为季刊，每年3月、6月、9月以及12月出版。创刊号在2018年3月正式出版。
2018年6月，经过激烈角逐（87选20），EER成功入选由中国科协、财政部、教育部、国家新闻出版署、中国科学院、中国工程院等六部门联合实施的中国科技期刊国际影响力提升计划D类项目，进入新刊国家队阵列。
EER于2020年8月被SCIE正式收录；2021年6月，被EI和Scopus同时正式收录；2022年5月，被CSCD收录；2022年6月，入选《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》2021版；2022年6月发布的爱思唯尔CiteScore 为41.9，3个学科（材料科学、电化学、化学工程）排名均为第一；2022年6月28日发布的JCR影响因子为32.804，全球电化学领域蝉联第一。目前文章篇均下载量超过4,400次。
文章题目：Semiconductor Electrochemistry for Clean Energy Conversion and Storage
作者：Bin Zhu*, Liangdong Fan*, Naveed Mushtaq, Rizwan Raza*, Muhammad Sajid, Yan Wu, Wenfeng Lin, Jung-Sik Kim, Peter D. Lund, Sining Yun*
引用信息：Bin Zhu, Liangdong Fan, Naveed Mushtaq, Rizwan Raza, Muhammad Sajid, Yan Wu, Wenfeng Lin, Jung-Sik Kim, Peter D. Lund, Sining Yun. Electrochem. Energy Rev. 2021, 4 (4), 757–792. https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s41918-021-00112-8.pdf
一、图文摘要
二、内容简介
1. 前言
2. 半导体电解质电化学界面和燃料电池
3. 高温燃料电池中的半导体电化学
3.1 电解质基的固体氧化物燃料电池
3.2半导体隔膜燃料电池
3.3 半导体隔膜燃料电池的异质结构材料
4.半导体和半导体电化学在电池的应用
4.1. 典型的锂电池体系
4.1.1.能带理论指导半导体转为离子传导电解质
4.1.2 电池中内建电场作用
44基于半导体的能量转化和储存的耦合新技术
5. 总结和展望
三、综述亮点
1. 半导体材料在电化学清洁能源转化与储存领域已大显身手，对比分析传统电解质为核心的电化学，以及从半导体和能带角度重新认识电化学清洁能源储存与转换技术;
2. 将半导体电化学应用到燃料电池，以半导体隔膜代替传统的离子传导电解质，并用半导体能带结构和内建电场解决半导体电子短路的挑战；
3. 从半导体电子结构和能带角度，分析电化学二次电池如锂电、钠电、铝电等材料和器件工作原理以及性能强化机制；
4. 强调能源转化和储存技术耦合与集成的重要性，研究电子-离子相互作用和耦合的协同输运，为发展更高效的半导体离子导电材料和能源器件提供新的方案；
5. 展望了半导体电化学发展前景及其对电化学能源广泛应用的指导意义和基础科学的重要作用。
四、图文导读
（1）前言
以燃料电池/电解池、锂离子电池为代表的电化学能源转换与储存器件在可再生能源大规模利用和当前“碳达峰和碳中和”政策推动大背景下已越来越受到关注。随着研究与应用的深入，以经典离子导电电解质为基础的电化学基本工作原理受到挑战，而半导体及其相关工艺技术在电化学清洁能源领域的作用日益增强，也逐渐形成一个全新的研究领域。例如，传统电解质燃料电池现在可以不用电解质来构建（如图1所示），因为在H2/空气气氛下燃料电池阳极和阴极可以在线形成n和p传导区，这和太阳能电池的p-n结同理。在燃料电池运行中，不但没有出现短路现象，反而表现出更好的离子传输和电化学性能输出，成为燃料电池新的研究热点；锂/钠/铝离子电池电解质或电极中原位形成内建电场效应有效提升离子传导速率，显著提升电池动力学性能；半导体也可以伴随锂离子或质子电化学注入相变成为锂离子电池或燃料电池的优良电解质材料；耦合光电化学可加速燃料电池或金属-空气电池电催化速率或增加其开路电压，降低充电能耗，或实现污染物清除和电能共产生。越来越多的研究报导结果证实半导体电化学正在成为广泛涉及清洁能源不可忽视的科学基础。但是，当前公开文献还没有一个统一的理解和描述，更不用说科学的方法论了。
近日由东南大学朱斌教授领衔，深圳大学范梁栋研究员、巴基斯坦Rizwan Raza教授和西安建筑科技大学的云斯宁教授为共同通讯作者撰文在ElectrochemicalEnergy Reviews《电化学能源评论》杂志发表题为"Semiconductor Electrochemistry for Clean EnergyConversion and Storage"的前瞻性综述文章。从半导体能带、材料的电子态和内建电场的角度，统一认识和描述能源转化和储存器件，提出半导体电化学在清洁能源转化和储存的普适性，阐述清洁能源转化与存储的半导体电化学科学基础。
图1（a）以电解质为核心部件的经典电化学器件和（b）从半导体电化学认识电化学器件
（2）内容概括
1) 燃料电池的半导体电化学
以燃料电池为例，图2a为传统燃料电池结构（阳极/电解质/阴极）。从半导体角度，其中的阳极在氢气中为n-型半导体、阴极是p-型半导体，中间的电解质是离子导体和电子绝缘体。如果去掉中间的电解质或者被半导体隔膜取代后，则按照半导体能带结构原理，两极的费米能级拉平（图2b），形成p-n结器件。没有了电解质隔膜，离子可以直接参与氧化还原反应，同时p-n异质结的内建电场（BIEF）阻隔电子穿透，因此解决电子造成的短路，同样实现了化学能-电能之间的转化。应该指出，没有了电解质的隔膜或被半导体基材料（通常为陶瓷燃料电池（例如固体氧化物陶瓷燃料电池SOFC）的阴极部件）替代，也就消除了电解质/电极界面，而这正是解决了传统陶瓷燃料电池界面的一个难题。此外，燃料电池结构也被大大简化，成本下降。2010年，朱斌教授课题组已经实验示范了这种燃料电池的可行性。相比经典 SOFC，其结构和制备工艺更简单，展现出高性能和低成本的明显优势。
图2（a）传统电解质燃料电池的阳极、电解质和阴极的能带结构配置和（b）从半导体电化学的角度重新认识燃料电池电化学装置
2) 能带理论指导发展半导体的离子导电
与此同时，突破典型离子和电子导电认知，半导体电化学也在很多其他电化学能源器件得到应用并展现出独特的性质。例如，原位构建局域电场显著提升离子迁移速度和电极反应动力学，提升电池和燃料电池输出功率，实现低温高电化学性能，相关研究突破了传统电化学阳极/电解质/阴极电化学基础，引进了半导体和能带离子快速输运的特性，为研发新型高性能电化学能源器件提供强有力实验和理论基础。
上面是从半导体取代离子电解质隔膜在燃料电池中的应用，从半导体电子态和能带带来的优良离子输运和功率输出的例子。而在电池领域，电子态和能带理论更是广泛用来描述电池器件的一个行之有效的方法。如图3所示，在锂电池操作条件下，电化学原位插入锂离子将金属导电的钙钛矿SmNiO3结构能带（图3a）向电子绝缘体的能带（图3c）转变；图3d则显示了锂离子嵌入对应的SmNiO3的能带变化过程。
图3 半导体隔膜取代电解质，从能带和电子态调制为离子输运的能带结构
3) 半导体电化学在二次电池领域的应用
二次电池包含如锂、钠、锌、镁和铝离子电池。我们也可以从半导体电化学的电子态、能带结构和局域电场构建等角度重新理解二次电池工作原理以及推进新型动力电池的发展。例如开发基于半导体的新型电解质材料、内建电场促进离子输运、提升电极反应动力学速率，增强电池的能量密度和循环效率等。如图4所示，异质结构在阳极和阴极构建p-n异质结，促进锂/钠离子的嵌入和脱出，促进离子电极反应的动力学过程和增加电池容量和循环特性。总而言之，半导体电子态和能带的理解是描述现电池电化学器件的一个行之有效的方法。
图4 半导体电极原位内建电场构建促进离子输运、降低离子迁移活化能和增强电极动力学，实现容量和循环性能的提升
4) 能源转化和储存耦合器件和技术
低温燃料电池和金属-空气电池的电极反应是器件功率输出损失的重要部分，耦合或集成半导体或能带结构到上述器件等可强化电催化性能（脱锂或氧还原ORR或氧析出反应OER）、提升放电电池工作电压或降低充电电池电压，能效显著提升。例如，采用C3N4半导体正极的锂-空气电池可在光辐射条件下给其直接充电，实现可再生能源的原位耦合储存与转化；半导体电极的光生电压效应可部分弥补极化产生的放电电压降或增加电化学器件工作电压；半导体电极光生电荷/电场效应帮助催化析氧或氧还原反应，因此能明显增加电池的电极催化速率和充放电效率；联合光催化与燃料电池，也可实现污水处理和发电双重功效（如图5所示）。
总的来说，半导体光电能有效加成电化学能以及促进电化学能量储存与转换中的电化学反应速率，提升低温动力学过程和反应速率与电池效率，促进可再生能源的储存和利用，为未来“碳中和”提供更多优良案例，具有很好的借鉴作用。
图5 基于半导体电极的锂/锌-空气电池耦合光充电（a-b）以及光增强OER性示意图（c-d）
六、作者简介
朱斌（第一和通讯作者），东南大学能源与环境学院教授，西安交通大学讲座教授、英国拉夫堡大学访问教授。前瑞典皇家工学院教授级研究员，太阳能电池和燃料电池课题组负责人。2020年加盟东南大学。现担任东南大学太阳能科学技术和联合储能中心首席科学家，为Energy Materials期刊共同主编以及Inter. J. Hydrogen Energy、Nanomaterials等期刊学术编辑或专刊客座编辑。发表SCI论文约400篇，创建半导体离子学和燃料电池的半导体电化学。Elsevier中国高被引学者，多次受邀参加国内外重要学术会议并作大会邀请报告。
范梁栋（共同一作和通讯作者），深圳大学化学与环境工程学院，副研究员，课题组长。2013年获得天津大学王成扬教授课题组获得工学博士学位，2014年获得瑞典皇家工学院朱斌教授课题组能源技术哲学博士。2015年加入深圳大学成立独立课题组。主要研究方向为固体氧化物燃料电池和电解池以及低温电催化。在纳米材料、化学、能源等领域以第一或通讯作者在Electrochemical Energy Reviews、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy等期刊等发表80余篇，SCI他引2500余次，其中高引论文5篇，热点论文2篇，受邀在Wiley出版社发表著作一部。多次受邀参加国内外重要学术会议并作邀请报告。
云斯宁（通讯作者），西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师。2007年于西安交通大学获博士学位，学位论文获2007年度西安交通大学优秀博士论文(14/423)。2008—2009年在韩国Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT国家重点实验室高级访问研究。2015年8月访问美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室。2016年8月英国里丁大学访问交流。2016—2017年瑞士洛桑联邦理工学院EPFL高级访问交流。近年来主要从事无机非金属能源材料高效和资源化利用研究。担任Energy Materials期刊副主编及Inter. J. Hydrogen Energy期刊等学术编辑或专刊客座编辑。迄今以第一作者或通讯作者在Chem Sov Rev、Prog Polym Sci、Electrochem Energy Rev、Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Energy Mater、ACS Energy Lett、Nano Energy、Appl Catal B-Environ、Angew Chem Int Edit、Small、ACS Catalysis、J Mater Chem A、Renew Sust Energ Rev、Chem Eng J、ChemSusChem、Carbon、J Power Sources、Bioresource Technol等国内外行业主流期刊上发表SCI论文120余篇，ESI高被引论文/热点论文13篇。主编/参编专著9部，其中：主编外文专著2部；主编中文专著1部(2014获中国石油和化学工业优秀出版物二等奖)；主编研究生教材1部；参编中国、法国、印度、瑞典、波兰教授专著5部（之一下载量超过10万余次）。拥有26项国家授权专利技术。
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