通过缺陷工程提升CuAlO2在可见光下的光（电）催化性能

一、 【导读】

在最新在线出版《Acta Materialia》中，昆明理工大学赵宗彦教授团队、云南大学柳清菊教授团队、中科院宁波材料所况永波研究员团队合作发表的研究工作展示了如何通过缺陷工程策略显著提升宽带隙半导体材料CuAlO₂的光（电）催化性能。研究团队通过引入特定的复合本征缺陷，有效地将CuAlO₂的光谱吸收范围扩展至可见光区域，并显著提升了材料在可见光照射条件下的光催化降解效率、光催化水分解效果和光阴极的光电流密度。这一创新性成果不仅为环境净化和氢能源生产开辟了新的策略，也为优化半导体材料的光电性能提供了新的思路。研究团队还利用第一性原理计算，深入分析了复合本征缺陷在光（电）催化过程中的作用，为材料改性和材料设计提供新的研究案例和思路。

二、【成果掠影】

在这项工作中，研究团队通过缺陷工程的优化设计、精确控制高温固相反应工艺，显著提升了CuAlO₂材料在可见光照射下的光（电）催化性能。这项研究工作的核心在于精确控制本征缺陷的类型、浓度和组合，这一过程通过在高温固相反应过程中调整氧气分压来实现。研究团队通过在混合氧-氩气氛下进行定制的固态反应，成功地在CuAlO₂中形成复合本征缺陷[O_i+ Cu_Al]。此方法成功扩展了材料的可见光吸收范围，并优化了光生电子-空穴对的分离及传输效率。因此，在可见光照射下，光催化降解效率显著提升了2.13倍；光催化水分解制氢的速率提高了10.78倍；光电流密度也增加了10.25倍。

为了深入理解这一现象，研究团队还利用第一性原理计算，结合实验数据，探讨了复合本征缺陷在光（电）催化过程中的作用机制。这些发现揭示了复合本征缺陷的引入如何通过形成额外的缺陷能级，促进价带电子能被可见光激发，同时降低价带位置，增强光生空穴的氧化能力。这些理论基础为CuAlO₂的光（电）催化性能提供了新的视角，并为其他半导体材料的改性提供了新的思路。

三、【核心创新点】

1、复合本征缺陷的引入：在CuAlO₂中可控地引入复合本征缺陷[O_i+ Cu_Al]，促使宽带隙半导体CuAlO₂能够显著地吸收可见光。

2、光（电）催化性能的显著提升：通过缺陷工程，CuAlO₂在可见光照射下的光催化降解效率提高了2.13倍，光催化水分解产氢速率增加了10.78倍、光电流密度提升了10.25倍。

3、光生电子-空穴对分离效率的优化：复合本征缺陷的引入不仅提高了光吸收，还优化了光生电子-空穴对的分离。

4、环境净化与能源生产的双重潜力：这一研究成果不仅有助于环境净化，如降解有机污染物，还在太阳能转换和氢能源生产方面展现出应用潜力。

四、【数据概览】

图1、在铜铁矿CuAlO₂中引入复合本征缺陷的高温固相反应制备工艺示意图

图2、含有不同比例本征复合缺陷的CuAlO₂样品的（a）紫外-可见漫反射吸收光谱和（b）能带位置示意图。右图展示的是所制备CuAlO₂样品的实物照片。

图3、所制备的CuAlO₂样品的光催化分解水的析氢速率：（a）全光谱照射，（b）可见光照射下，（c）在全光谱照射的三轮循环测试。

图4、（a）CuAlO₂不同本征点缺陷及其复合物的形成能，（b）所制备的CuAlO₂样品的PL光谱，（c）含有不同本征缺陷的CuAlO₂的态密度对比。

五、【成果启示】

这项研究工作通过精准的缺陷工程策略，显著提升了宽带隙半导体CuAlO₂在可见光激发下的光（电）催化性能，为环境净化和高效生产氢能源开拓了有潜力的材料。这一成果不仅凸显了缺陷工程在提升半导体材料性能方面的核心地位，尤其是在实现可见光吸收和光催化效率方面，同时也展现了材料设计的新理念：通过精细调控材料内部缺陷来实现半导体性能的优化，这一策略对其他材料的改良具有很好的启发作用。研究团队的跨学科协作，为半导体材料在多个领域的创新设计和应用提供了创新思路和研究案例。

第一作者：张佳欣

通讯作者：赵宗彦，柳清菊，况永波

通讯单位：昆明理工大学，云南大学，中科院宁波材料所

论文信息：

Harnessing intrinsic defect complexes for visible-light-driven photocatalytic activity in Delafossite CuAlO₂, Acta Materialia, 2024, 269, 119801.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119801

本文由昆明理工大学赵宗彦团队供稿。