光增强型可充电锌–空气电池双功能催化剂研究进展

叶笑笑, 芦 拓, 乔锦丽

(1. 东华大学纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620;2. 东华大学环境科学与工程学院, 上海 201620)

随着现代工业的飞速发展, 化石燃料的过度消耗引起的能源危机和环境污染等问题日趋严重. 太阳能因其具有环保、可再生、低成本、供应充足等优点, 已成为传统化石燃料的有效替代品. 然而, 太阳能供电通常受自然天气条件的限制, 具有严重苛刻的间歇性. 因而, 能量储存对太阳能供电发展尤为重要[1]. 太阳能电池和光增强型可充电金属空气电池都是将光能转化为电能的有效装置, 而太阳能电池只能将光能转化为立即使用的电能, 并不能将能量存储在单个电池系统中[2-3]. 近年来, 光增强型可充电金属电池因其具有高理论比容量和使用寿命长等优点而受到研究者们的青睐. 例如, 金属锂(Li) 的比容量为3 860 mAh/g、工作电位-3.04 V, 这使金属锂基电池成为太阳能存储的备选者[4]. 然而, 由于锂在新能源汽车、智能手机和其他便携式电子产品的未来需求量持续增加, 而现有技术尚不能有效回收利用锂离子电池[5], 导致锂的产量与未来需求量相比明显不足[6]. 锌(Zn) 具有绿色安全、成本低、理论比容量高(820 mAh/g)、低电化学电位(-0.762 V, 相比于标准氢电极) 以及储量丰富(地壳中锌的质量分数为0.02%)[7]等特点, 可替代锂作为下一代太阳能的存储者. 图1 为地壳中与电池有关的元素供应风险及含量丰富、风险小元素的可充电电池成本与比能量的关系.

图1 地壳中与电池有关元素的供应风险及可充电电池成本[8]Fig.1 Supply risk of battery-related elements in the Earth’s crust and cost of rechargeable batteries[8]

锌—空气电池的理论比能量为1 084 Wh/kg, 具有作为能源储存设备的潜力[9]. 图2 为在光照和黑暗条件下不同金属基光增强型可充电电池的充放电电压和能量效率η的变化[10-14].可以看出: 锂—空气电池的高充电过电位通过光电压进行补偿, 最终达到1.90 V 的超低充电电压, 与黑暗条件下(3.56 V) 相比, 降低了1.66 V; 光增强型锌—空气电池的充电电压(1.64 V)比锂—空气电池的更低, 能量效率可达70.3%. 为了有效利用和储存过量的太阳能, 集光能捕获、转换和储存功能为一体的光增强型可充电锌—空气电池成为极具发展潜力的先进能源体系代表[15]. 因此, 本工作主要介绍光增强型可充电锌—空气电池的工作原理, 重点阐述了光辅助双功能催化剂应用于锌—空气电池的最新研究进展, 并指出该领域未来的研究机遇和挑战.

图2 金属基电池的充放电电压和能量效率Fig.2 Charge and discharge voltage and energy effciency of metal-based batteries

1 光增强型可充电锌–空气电池工作原理

光增强型可充电锌—空气电池一般由带有双功能电催化剂的光电极(阴极)、锌电极(阳极) 以及碱性电解液构建而成, 是具有太阳能收集、转换和储存一体功能的独立电池系统. 与传统可充电锌—空气电池相比, 无论是否施加外部电压, 光增强型锌—空气电池均能利用太阳能实现光充电而降低电压差, 增强氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR) 和析氧反应(oxygen evolution reaction, OER) 活性[16]. 图3 为光增强型可充电锌—空气电池的结构组成和电化学充放电工作原理[4,17-19].

(1) 充电过程. 当太阳光照射到光阴极电极上, 价带上的电子受到激发成为光生电子, 同时价带上形成相应的光生空穴; 光生电子跃迁至导带底部, 再通过外部电路转移至锌阳极; 阴极上的得到电子还原为Zn 和OH-, OH-由强氧化性光生空穴氧化为OH·, 并分解产生O2. 光增强型锌—空气电池通过光氧化加快OER 反应动力学获得低充电电位和高能量效率.

锌电极

空气电极

(2) 放电过程. 强还原性光生电子吸收空气中的O2并还原为OH-; 阴极上的空穴通过外电路被Zn 接受为ZnO. 光照使光电极在较小的过电势下具有更快的ORR 反应动力学和优异的电流密度.

锌电极

空气电极

或者

本工作通过充放电电压、循环寿命、能源效率η、节能Es等衡量光增强型锌—空气电池的性能[4], 其中

式中:U为电压;I为电流;T为工作时间. 由于光照和黑暗条件下采用的测试电流I、测试时间T相同, 故可以采用电压U计算能源效率η和节能效率Es.

2 光活性催化剂

光增强型可充电锌—空气电池的光催化活性主要依靠具有光能捕获、转换、储存功能的半导体光电极. 目前, 此方面的研究进展相对滞后, 主要原因是光电极带隙过宽或者光吸收能力不足, 从而导致ORR 和OER 过程反应动力学缓慢, 光生电子-空穴对快速复合, 光催化活性较差[20]. 因此, 为了加快光增强型锌—空气电池发展, 研发光化学稳定性高、能带结构合适和可见光吸收范围宽的光催化剂尤为重要. ZnO、TiO2、α-Fe2O3、C3N4、Co3O4等是光催化领域中常见的半导体材料[21-24].

2.1 TiO2 光活性催化剂

TiO2具有化学稳定性强、无毒、含量丰富、成本低等优点, 因而成为应用最为广泛的n型半导体. 但是, 单体TiO2存在带隙宽(3.0∼3.2 eV)、可见光利用率低(<5%) 以及电子空穴对复合率高等问题, 使其光催化应用严重受限[25-26]. 近年来, 许多研究致力于通过各种方法(与窄带隙半导体杂化或助催化剂沉积) 提高TiO2光吸收能力, 有效阻止电子空穴对复合[27].由于中空结构的TiO2比表面积和光吸收性能明显改善, 而In2Se3和Ag3PO4分别是良好的光活性和导电材料, Feng 等[18]结合三者的优势设计了由内向外的介孔中空三层纳米球结构的TiO2@In2Se3@Ag3PO4复合催化剂, 该结构能有效提高电荷分离效率和光吸收能力, 显著提高该复合催化剂的电催化性能(见图4). 在光照条件下, 将TiO2@In2Se3@Ag3PO4双功能光电催化剂应用于锌—空气电池, 得到了1.34 V 的超低充电电压和1.04 V 的放电电压, 其充放电性能明显高于黑暗条件和贵金属催化剂.

Kong 等[28]发现三嗪基共轭聚合物纳米层(10 nm) 在TiO2纳米棒上附着生长, 能有效降低电荷复合率, 由该材料组装成的光增强型可充电锌—空气电池在10 mA/cm2光照下表现出优异的充放电循环稳定性能, 其中放电电压稳定保持在1.24 V, 充电过程中获得极低的充电电压(0.8 V), 节能76.5% (见图5). 这是因为利用了共轭半导体聚合物柔性能带结构的可调整性和可操作性, 与TiO2匹配合成催化剂, 能够减少TiO2表面的氧缺陷, 建立高效电荷转移途径, 为光氧化提供更多的活性位点. P150-20/r-TiO2形成了清晰的异质结结构, 当受到光照激发后, TiO2上的光生空穴积聚在P150-20 表面, 促使OH-氧化产生O2, 光生电子从价带跃迁至TiO2导带, 并通过外电路将还原为Zn, 导致充电电位低于传统锌—空气电池.

Du 等[29]将聚(1, 4-二(2-噻吩基) 苯(PDTB) 和TiO2负载在碳纤维表面分别作为放电和充电过程的光电阴极, 并在两侧夹住锌阳极制成PDTB 和TiO2双阴极三明治式光增强型锌—空气电池(见图6). 在放电过程中, PDTB 光照下的ORR 性能明显优于黑暗条件, 其起始电位(1.44 V) 比Pt/C+RuO2高460 mV; 在充电过程中, 相比于黑暗条件, TiO2光照下的OER 性能提升显著, 起始电位低至0.24 V (见图6(d) 和(e)). 由图6(f) 可知, 该光增强型锌—空气电池在5 mA/cm2光照下得到的充放电电压分别为0.86 和1.18 V, 能量效率48.1%.图6(g) 和(h) 分别为PDTB 和TiO2的紫外-可见吸收光谱和能带结构, 其中PDTB 的禁带、导带和价带分别为2.14、-0.02 和2.12 eV, TiO2的禁带、导带和价带分别为2.89、-0.69 和2.2 eV. 另外, 该研究也为光增强型锌—空气电池双功能阴极的设计制备方法提供了新思路.

图6 PDTB 和TiO2 光催化剂的电化学性质Fig.6 Electrochemical properties of PDTB, TiO2 photo-catalysts

2.2 g-C3N4 基光活性催化剂

太阳能在紫外区域占比不超过4%, 在可见光区域占比约为45%, 因此半导体光电极的太阳光谱吸收能力分布在400∼800 nm 是太阳能高效利用率的首要基础[30]. 石墨氮化碳g-C3N4具有带隙适中(∼2.7 eV)、化学稳定性强、成本低、易获取等优点, 是一种非常有实际应用潜力的可见光活性催化剂. 然而g-C3N4在光催化领域的应用受比表面积小、光生载流子复合速率高及可见光利用低效等缺点的严重限制[31-34]. 近年来, 研究发现构建g-C3N4基异质结构能有效提升光生电子-空穴对分离效率, 与其他组分产生协同作用可使光催化活性显著提高, 因此合理设计g-C3N4基异质结构成为光催化领域的一大研究热点[35].

Ren 等[36]利用具有紫外-可见-近红外宽吸收范围和窄带隙的p 型ZIF-67 掺杂铜, 采用水热法与n 型g-C3N4合成具有交错p-n 异质结构的光辅助双功能氧阴极催化剂(见图7), 其中CuZIF-67 是光照条件下提高OER 性能的活性成分, 而g-C3N4是提高ORR 性能的活性成分. p 型CuZIF-67 的价带和导带边缘位置高于n 型g-C3N4, 当二者接触时会产生内置电场而提高电池性能[37]. 相比CuZIF-67 和单体g-C3N4, 复合催化剂的光吸收能力增强, ORR 和OER 性能增强, 光照下的电压差比黑暗条件降低0.14 V, 最大吸收波长发生红移, 表明复合催化剂表面的电子结构已经发生改变, 促使带隙变窄, 光催化活性显著提高. 这些改变使具有p-n 异质结的g-C3N4/CuZIF-67 光催化剂具有以下特征: 适宜的带隙宽度和较宽的光谱吸收范围, 激发更多的电子参与光催化活动; 形成交错能带结构抑制光生电子复合, 过电势降低; 高浓度吡咯氮基团使得光增强型锌—空气电池表现出优越的稳定性.

图7 g-C3N4/CuZIF-67 光催化剂的电化学性质Fig.7 Electrochemical properties of g-C3N4/CuZIF-67 photo-catalyst

2.3 尖晶石氧化物基光活性催化剂

尖晶石氧化物形成过程无需高温环境, 合成条件比需要高温煅烧的钙钛矿氧化物简单,稳定性更佳, 组合种类多, 因而成为了可充电锌—空气电池双功能催化剂中炙手可热的研究对象[38-39]. Co2+和Co3+分别位于Co3O4尖晶石结构中的四面体位和八面体位, 由于Co2+和Co3+混合价态的存在, p 型半导体材料Co3O4具有强烈的光电催化活性, 价带上产生具有强氧化性的光生空穴Co3O4, 从而提高了O2的产生率[40-43]. Tomon 等[44]通过水热和煅烧的方法制备尖晶石型Co3O4, 并将其负载到掺铟氧化锡(indium tin oxide, ITO) 玻璃上作为锌—空气电池的光阴极(见图8). 尖晶石型Co3O4在440 和755 nm 处有强烈的光响应, 入射光子电流效率(incident photon-to-electron conversion effciency, IPCE) 达到60%. 光照下得到比黑暗条件低0.19 V 的充放电电压差(0.82 V). 此外, Co3O4超强的稳定性和耐久性更具有吸引力, 在可见光下充放电循环4 200 min, 仍未出现太大的电压波动.

图8 尖晶石型Co3O4 光催化剂的电化学性质Fig.8 Electrochemical properties of spinel type Co3O4 photo-catalyst

Tomon 等[45]进一步研究了尖晶石双金属钴基材料的光电催化性能, 利用静电纺丝耦合煅烧的方法合成了Co3O4(CO)、NiCo2O4(NCO)、MnCo2O4(MCO)、FeCo2O4(FCO) 4 种中空纳米纤维(hollow nanofiber, HNF) 光催化剂(见图9). 实验结果表明, 由于钴离子和其他金属离子之间存在的电荷转移效应, 双金属基催化剂的带隙能量较小, 电化学表现优于单金属基(CO—HNF), 其中NCO—HNF 催化剂的电化学性能最为突出. 在光照条件下, NCO-HNF 的OER 性能比黑暗条件下提高了14.3%, 比CO-HNF 提高了31.8%; ORR 性能比黑暗条件下提高了8.1%, 比CO—HNF 提高了16%; 670 nm 处的IPCE(76%) 比黑暗条件下高33% (680 nm处). 这表明NCO—HNF 有强烈的光响应, 且OER 的光催化活性更强. 因为NCO—HNF 拥有最小的带隙和高Co2+/Co3+比率, 所以催化剂价带上的电子更容易被光激发, 光电转换效率更高(钴离子和镍离子混合价态产生的协同作用). 光能将电子从价带激发到导带, 具有高活性的光生载流子(NiCo2O4)与OH-快速反应形成NiOOH 和CoOOH,因此加快NCO—HNF 催化剂的OER 和ORR 反应动力学. 此外, 由NCO—HNF 光阴极组成的光增强型可充电锌—空气电池在2 mA/cm2光照下得到充放电电压分别为1.88 和1.24 V, 二者电压差比黑暗条件下降低了约0.21 V, 光照下的比容量提高了11.4%. 这进一步验证了对NCO-HNF 催化剂引入光子能量能有效降低过电势.

图9 CO、NCO、MCO 和FCO 4 种HNF 光催化剂的电化学性能Fig.9 Electrochemical properties of 4 HNF photo-catalysts including CO, NCO, MCO and FCO

2.4 尖晶石硫化物基光活性催化剂

由于硫的原子半径较大而电负性小,用硫原子替代晶体结构中的氧原子,即NiCo2S4(NCS)能得到比NiCo2O4(NCO) 更合适的能带结构和更优越的电化学性能[46-47]. Sarawutanukul等[15]利用水热和煅烧工艺制备了海胆状尖晶石型NiCo2S4(NCS) 和NiCo2O4(NCO) 2 种双功能催化剂(见图10). 立方尖晶石型的NCO 和NCS 的能带由高自旋的四面体Co2+和2 个低自旋的八面体Co3+和Ni3+组成. 从二者的能量图可以看出, NCS 的能带间隙明显低于NCO, 这导致中间自旋态转变的电导率升高, NCS 光激发灵敏度更高. 此外, 硫原子取代改变了材料的能带, 为电子转移提供更便捷的途径. 采用尖晶石型NCS 光催化剂作为锌—空气电极的阴极, 在光照下实现了低充电电压(1.91 V) 和高放电电压(1.32 V), 能量效率从59.2% 提高至68.8%, 电压差(0.60 V) 比黑暗条件降低0.22 V. NCS 具有良好光响应性能, 其充放电循环高稳定性更是引起研究者们的关注. 由尖晶石型NCS 光电阴极装配的光增强型可充电锌—空气电池在2 mA/cm2的光照下充放电循环可持续2 300 h, 表明尖晶石型NCS 光催化剂在未来能源发展中具有投入实践应用的可能.

图10 尖晶石型NCS 和NCO 光催化剂的电化学性质Fig.10 Electrochemical properties of spinel NCS and NCO photocatalysts

2.5 双金属氧化物光活性催化剂

Bu 等[48]制备了ZnO/CuO 光响应双功能复合催化剂, 其中n 型ZnO 和p 型CuO 分别是OER 和ORR 催化活性材料(见图11). 由于Cu/Cu2+的价态机制, 形成的ZnO/CuO 和ZnO/Cu2O 异质结构能够有效抑制光生载流子复合率, 提高复合材料的光催化活性、稳定性和亲水性, 并成功应用于LED 灯泡和3D 打印机. 将ZnO/CuO 光电极组装成锌—空气电池进行恒流充放电循环测试, 获得1.5 V 低充电电位和1.28 V 高放电电位. 这种由CuO 和Cu2O之间的价态变化而形成异质结构的方法也为合理构建半导体光电极异质结构提供了新的思路.

图11 ZnO/CuO 光催化剂的电化学性质Fig.11 Electrochemical properties of ZnO/CuO photocatalyst

MnO2是一种常见的半导体材料, 具有环境友好、成本低、光敏性等优点[49-52]. 研究表明,不同晶体结构的MnO2催化活性差异较大.α-MnO2中由角与边缘共享的MnO6八面体组成2×2 隧道结构比1×1 隧道结构的β-MnO2可容纳更多的氧气, 而二维层状结构的δ-MnO2层间距较大(7×10-10m), 比表面积大, 这更有利于分子(H2O) 和阳离子插入[53-54]. Mathur等[55]结合一维棒状α-MnO2和二维纳米片状δ-MnO2的优势, 制备了(α+δ)MnO2复合光活性催化剂(见图12). 相比于其他含量的α-和δ-MnO2, 从等量α-和δ-MnO2的FESEM 图可以观察到一维棒状α-MnO2和二维纳米片δ-MnO2成功复合. (α+δ)Mn11 带隙介于2 个母体之间, 晶相之间的复合纳米材料可能会吸收更长的可见光. 在20 mA/cm2充放电循环中,光照下的电压差(2.06 V) 比黑暗条件下低0.17 V, 说明光照下的催化活性提高了7.62%.

图12 MnO2 光催化剂的电化学性质Fig.12 Electrochemical properties of MnO2 photocatalyst

此外, Mathur 等[56]利用水热合成的钴掺杂二维δ-MnO2纳米片在光照下具有更优异的ORR/OER 双功能催化活性. 实验表明, 利用不同形态结构的同一材料结合或者掺杂Co、Ni等过渡金属产生的协同作用会提高催化剂的电化学性能. 这也为可充电锌—空气电池的光电催化剂研究提供了新思路.

Andrade 等[57]将球状BiVO4和棒状V2O5结合形成异质结构半导体BiVO4/V2O5, 其可见光吸收波长达到550 nm. 将其应用于光增强型锌—空气电池中可有效降低输入电压(见图13). 值得一提的是, 相比于V2O5, MoS2纳米片拥有独特的层状结构、优异的光捕获性能及带隙较小等优点, 且钼的安全性高于钒, 将其应用于可充电锌—空气电池更有研究意义[58-61].与之前报道的混合制备复合材料的方法不同, Boruah 等[62]设计了多层结构的MoS2/ZnO/CF复合材料作为可充电锌—空气电池的光电阴极. 将MoS2和ZnO 逐层负载到上碳毡电极(carbon felt, CF) 的合成方式在能量上为电子转移提供了更有利的途径, 可显著提高光催化活性. 此外, MoS2/ZnO/CF 和MoS2/CF 经过相同充电时间得到的充电电压分别为0.95 和0.90 V, 证明了ZnO 薄膜作为光电极的电子传输和空穴阻挡层, 能够有效抑制电子-空穴对复合.

图13 BiVO4/V2O5 和MoS2/ZnO/CF 光催化剂的电化学性质Fig.13 Electrochemical properties of BiVO4/V2O5, MoS2/ZnO/CF photocatalysts

Nb2O5作为带隙宽度为3.4 eV 的n 型氧化物半导体, 主要吸收紫外区域的能量, 是一种有前途的光响应材料[63-64]. 研究表明, 通过滴铸沉积法将Nb2O5与CdS 结合能够提供更高的可见光吸收能力和高氧化性能[65-66]. Andrade 等[67]利用Nb2O5-CdS 作为光电极、乙醇作为有机废物燃料制备的光增强型锌—空气电池(见图14), 将太阳能转换、电池中的能量存储和生物质的利用结合在一个单一设备中, 在光照下的开路电压为0.7 V, 比黑暗条件下低0.6 V,充放电电压增益1.4 V, 节能效率达到50%.

图14 Nb2O5 和CdS 光催化剂的电化学性质Fig.14 Electrochemical properties of Nb2O5, CdS photocatalysts

3 总结与展望

光增强型可充电锌—空气电池作为集太阳能捕获、化学能-电能转换和储存功能为一体的独立复合电池系统, 结合了太阳能电池和可充电金属空气电池的优势, 能在极低外部电压下实现光充电, 顺应当前“双碳” 政策需求, 具有巨大的开发潜力. 光增强型锌—空气电池的充放电过程与多电子多质子转移的OER 和ORR 过程息息相关, 特别是OER 和ORR 动力学直接限制了光增强型电锌—空气电池的效率. 各种双功能光催化剂的设计开发是目前推动光增强型锌—空气电池先进技术的关键挑战以及研究热点. 因此, 本工作从光增强型可充电锌—空气电池工作原理出发, 系统讨论了光电双功能催化剂的设计策略、活性调控机制、催化机理以及电池性能, 包括TiO2光电双功能催化剂、g-C3N4基光电双功能催化剂、尖晶石氧化物基光电双功能催化剂以及尖晶石硫化物基光电双功能催化剂等.

表1 汇总了光增强型可充电锌—空气电池的性能参数. 研究表明, 通过构建合适能带结构的光电双功能催化剂能有效抑制光生电子-空穴对复合, 利用太阳能激发电子提高电催化活性和稳定性, 具备在未来能源发展中投入实践应用的潜力. 例如, TiO2@In2Se3@Ag3PO4光电催化剂应用于锌—空气电池在光照下能够得到1.34 V 的超低充电电压和1.04 V 的放电电压[18],PDTB—Zn—TiO2光电极在5 mA/cm2光照下的充放电能量效率达到48.1%[29], p-n 异质结的g-C3N4/CuZIF-67 光催化剂光照下的电压差比黑暗条件降低0.14 V[36], 尖晶石型双金属硫化物NCS 在2 mA/cm2的光照下充放电循环可持续2 300 h[15].

表1 各类催化剂分别在光照和黑暗条件下的性能Table 1 Performance of various catalysts under light and dark conditions

然而, 锌—空气电池中的光催化剂研发尚处于早期阶段, 其发展仍面临以下挑战: ①不合适的能带结构、光化学不稳定性、电荷转移效率低和电子-空穴复合率高; ②锌电极上的枝晶形成、循环稳定性差等问题. 因此, 未来光增强型锌—空气电池研究可以从以下方面进一步开展:

(1) 高性能光电催化剂开发. 尽管光电催化剂的开发已经引起人们的广泛关注, 并取得了不错的进展, 但是其性能依然难以满足对高性能光电耦合锌—空气电池的持续需要. 因此, 高性能光电双功能催化剂的设计构筑仍需进一步推进, 特别是普适性方法的建立仍需大量的数据支撑.

(2) 光电催化剂的催化机理仍需深入剖析. 目前大量的研究工作主要聚焦于催化剂的本质活性, 而催化剂的光电耦合效应、协同促进机制等相应的反应机理仍需结合(原位) 谱学表征、理论计算等方式进行剖析, 为光电催化反应理论提供基础.

(3) 测试方法和细节需统一标准. 光-电化学性能评价方案需要进一步明确和规范. 光增强型锌—空气电池光电化学性能测试方式大体上可以分为两类: 一类是延续锌—空气电池电化学测试项目; 另一类是太阳能电池测试标准, 主要关注短路电流等参数. 但是每一个工作的光电化学性能测试方式均有所不同, 为光电催化剂的统一比较带来了困难. 催化剂性能表征以及电池测试过程中所采用模拟光的光强需统一. 太阳光模拟器与光电催化剂/空气电极之间的距离对催化材料/电池性能的影响较大: 一般而言, 距离过近, 光强度较强, 测试性能较高; 反之, 性能偏低. 因此, 光的强度或者二者之间距离的确定对催化剂性能的真实评价至关重要. 但是,目前对光电化学性能和充放电稳定性测试过程中采用光的距离(光的强度) 并没有做出标准的测试规定和说明.

(4) 高性能屏蔽热干扰光增强型锌—空气电池反应器有待开发. 由于光敏锌—空气电池进行反复充放电实验, 耗费时间较长, 太阳光模拟器散热困难, 所产生的热量对电池充放电性有一定促进作用. 另外, 电解液在高温环境易蒸发, 导致测试结果易受到热量干扰. 因此, 如何设计屏蔽热干扰的新型光增强型锌—空气电池反应器来正确获得光增强型锌—空气电池性能, 也是未来需要考虑的重点.

(5) 光电材料高通量理论计算. 设计科学算法机制, 计算出各种半导体材料的电子-空穴分离率、光化学稳定性, 并建立数字模型模拟复合材料的能带结构和晶体结构, 构建光电材料基因组工程, 以节省光助催化剂研发时间, 达到半导体材料精确复合.