近日，邢政副教授团队应邀在Carbon Neutrality上发表了题为“Modular design of solar‑powered photocathodic metal protection device”的展望文章，以色列理工学院Lilac Amirav副教授与中山大学邢政副教授为本文的共同通讯作者，博士研究生谢慧为文章的第一作者。

文章亮点

1. 提出了太阳能驱动阴极金属保护器件的模块化设计概念

2. 阐述了光生空穴表面反应对阴极保护性能的影响

3. 设计了具有光生载流子定向分离功能的光阳极结构

4. 基于多层架构光阳极材料的选择标准与评估策略

内容简介：

金属腐蚀造成了严重的经济损失和安全隐患问题，光电阴极保护技术作为一项绿色、节能且可持续的防腐技术在过去二十多年里逐渐进入了视野。然而，由于光电转换效率不足等问题限制了该项技术的进一步发展，主要体现在光电转换过程中光生载流子严重复合、空穴表面氧化反应速率缓慢以及长期稳定性等方面。因此，研究者们集中开展了形态调控、异质结构以及元素掺杂等半导体性能调谐相关工作。然而，尽管异质结形成的内建电场虽有利于延长载流子迁移距离从而在一定程度上改善电荷分离，但这种迁移仅呈现在半导体的纳米粒子之间，在宏观尺度上依然无序且无方向性。此外，长久以来半导体-电解质界面处的空穴表面反应问题从未被重视。

基于上述问题，该展望提出了将光电阴极保护系统涉及的“光-电-化学”转换过程进行步骤分解与优化，鉴于太阳能电池结构模型证明了模块化设计的巨大优势，可以通过设立具有特定功能的独立模块，包括光吸收模块（PAM）、电子传输模块（ETM）、空穴传输模块（HTM）、空穴消耗模块（HCM）以及电子存储模块（ESM），并将各个优选的功能模块进行组装，最终集成整体式器件。通过这种模块化设计理念，从“光电阴极保护系统”整体出发，分解为各个独立的“功能模块”，又统一到“光电阴极保护器件”，实现对“太阳光捕获”、“电荷分离”、“载流子定向传输”以及“电子/空穴有效利用”等多个步骤的重大升级，有利于显著提升光-电-化学转换效率和金属保护功效，为开辟绿色化阴极金属保护道路奠定良好基础。

另外，文中总结了功能模块材料的选择标准及效率评估策略，即必须基于目标金属和阳极反应两个关键因素。不同类型的金属（如碳钢、不锈钢、铝合金和铜合金等）具有不同的自腐蚀电位。除此之外，还应尽量挑选具有重要现实意义与经济价值的表面阳极反应与金属保护工程进行有机结合，这将有益于最大程度实现光电阴极保护器件的附加值。

最后，文章强调了这种精密复杂的多层架构在实施过程中必须充分考虑以下几点因素：（1）ETM/ESM的能级与目标金属的良好匹配至关重要，它决定了光电阴极保护系统是否能够正常运行。如果能级排列无法保障电子顺利流入金属，甚至造成电子从金属“回流”到光电阴极保护系统，这将严重加剧目标保护金属的腐蚀；（2）相邻模块的层间键合不仅影响界面处的电荷迁移，而且决定了整个器件的稳定性，弱层间键合或将导致功能模块整层脱落进而使得器件失效；（3）各功能层的致密度与均匀性严重影响器件的整体功率输出，不良的制备工艺或将造成器件短路和金属局部腐蚀的风险等。

论文链接：Xie, H., Amirav, L. & Xing, Z. Modular design of solar-powered photocathodic metal protection device. Carbon Neutrality 2, 29 (2023). 

https://doi.org/10.1007/s43979-023-00068-2