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锌-空气电池（ZABs）因其出色的理论能量密度（1086 Wh kg−1）和安全性，被视为未来电动车和便携式电子设备的理想电源。然而，在实际应用中，ZABs面临两个主要障碍：一是空气阴极处的氧还原/氧化反应（ORR和OER）动力学缓慢；二是严重的电解质蒸发问题，导致过电位大和循环寿命差。为了解决这些核心问题，研究人员设计并构建了更高效的空气阴极电化学催化剂，以降低ORR和OER的过电位并延长电池循环寿命。此外，许多研究者开发了光辅助方法，通过使用半导体来提高ZABs的能量转换效率。但是，低转换效率和水系电解质的蒸发限制了它们的实际应用。因此，人们做出了许多努力来克服光催化活性的效率问题，例如通过改变纳米结构形态和构建异质结。尽管光催化性能有了显著提升，但仍有改进光电转换效率的巨大潜力。压电材料在外部刺激下可以产生显著的电场，从而创造一个电位差。基于压电电位的催化引起了人们的关注，因为它利用压电势来改变电子-空穴电荷的能量或分离效率。外部力沿压电材料的不对称方向施加时，会诱导压电极化，促进正负电荷从相反方向迁移，形成内置电场。特别是，当载体进入内置电场时，它会受到电场的定向迁移驱动，电子移向电子耗尽层（V+），空穴移向电子积累层（V−）。这允许精确控制内置电场以促进电荷传输。对于光催化反应，内置电场驱动电子-空穴对自发分离和传输，通过增加势垒来防止复合。因此，内置电场可以调节催化剂的电子结构，在光催化剂中创建电子不足和电子富集状态，这些可以作为在光催化反应期间捕获相反电荷的反应物/中间体的高效活性/吸收位点。不幸的是，静态内置电场容易被内部（半导体中的电荷载流子和晶体缺陷）或外部（从电解液中吸收的离子）电荷屏蔽，这限制了反应动力学的增强。尽管超声振荡的能量已被用来驱动铁电-光催化复合系统产生交替的内置电场以连续分离光生载流子，但这种交替电场依赖于应用的超声振荡，因此消耗了额外的能量。因此，迫切需要开发一种经济且智能的压电耦合光辅助系统，以促进光生载流子的连续分离。
近日，吉林大学徐吉静教授、郑州工程技术学院王焕锋团队首次引入了压电光耦合辅助场的概念到ZABs中。小型蠕动泵不仅保持了电解质的连续循环，还从液体流动中产生了机械应力。此外，受到藤本植物卷曲性质的启发，设计了具有微螺旋结构的压电光催化剂聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（Fe@P(V-T)），在流体介质中经历周期性变形时，能够不断再生内置电场，实现内置电场的持续重构。此外，通过利用由流动水产生的动能引起的压电光催化剂的周期性变形，显著增强了光电子阴极的ORR/OER动力学。而且，光致发光（PL）测量和COMSOL模拟清楚地显示了通过周期性内置电场增强的光生载流子的连续分离。得益于压电光催化剂的微螺旋结构在流动水影响下的简单谐波振动，内置电场显示出自我修复能力。与具有相对较差压电效应的聚偏二氟乙烯（Fe@PVDF）相比，在微振动条件下基于Fe@P(V-T)微螺旋阴极的ZAB的充放电电位差被缩小了1.7倍，功率密度提高了3.2倍。所提出的压电光辅助ZAB为开发经济和智能的储能系统提供了一条新途径。
该成果以《Fluid-Induced Piezoelectric Field Enhancing Photo-Assisted Zn–Air Batteries Based on a Fe@P(V-T) Microhelical Cathode》为题发表在《Advanced Materials》，第一作者是Liang Shuang。
