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西工大-李炫华团队︱Science：原位光催化增强热氧化还原电池实现同时产电产氢

锂电联盟会长 2023-07-21 11:13
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本文来源于西北工业大学新闻网！

一、研究背景：

低品位热能广泛存在于环境和工业过程，例如太阳能、地热能、以及车辆、工业、电子元器件发热等。但由于缺乏经济高效的能源回收技术，该部分能量基本被废弃。传统的热电技术在热功率方面存在限制，通常仅能提供较低的热功率。为了克服这一限制，热化学电池被提出并作为一种有效的替代品，可以提供更高的热功率，达到每度每毫伏（mV/K）的水平。根据理论分析，热功率与氧化还原离子之间的熵差（ΔS）以及电池冷热两端的离子浓度差（ΔC）有关。因此，如何提高ΔS和ΔC成为解决热化学电池的关键核心。
二、文章简介：
近日，西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心李炫华教授团队提出光催化增强热电材料的多功能器件设计思路，解决了热化学电池长期面临的电解质离子大浓差难以构建的关键难题，实现了功能器件电能和氢能的协同制备，为未来多元化能源的有效开发和创新设计提供了核心关键技术。相关研究成果发表在Science上。西工大2019级博士研究生王一瑾为论文的第一作者，李炫华教授为论文的唯一通讯作者。特拉华大学魏秉庆教授、英国伦敦玛丽女王大学安娜博士、新加坡南洋理工大学黄文静博士为论文的共同作者。
图1. 光催化增强热化学电池的机理图。A 热化学电池工作机理图；B和C 光催化原位增强热化学电池机理图。
三、研究内容：
李炫华团队采用铁氰根（FeCN3-）和亚铁氰根（FeCN4-）离子作为氧化还原电对，聚丙烯酸水凝胶作为基体。在光照下，热端产氧催化剂促进了FeCN3-到FeCN4-转化，同时产生氧气。冷端产氢催化剂促进了FeCN4-到FeCN3-转化，同时产生氢气。热端高浓度的FeCN4-在热力学上增强了FeCN4-到FeCN3-的氧化反应，使得更多的电子转移到热电极上；而冷端附近高浓度的FeCN3-在热力学上增强了FeCN3-到FeCN4-的还原反应，从而实现从冷电极吸引更多的电子(图1)。通过两个氧化还原离子的协同优化，成功获得了8.2 mV K–1的热功率，是当前最高值的2倍；同时，系统的太阳能到氢能转换效率达到0.4%（图2）。在此基础上，研究团队构建了一个由36个单元组成的大面积光催化增强热化学电池 (112平方厘米)，并在中国西安进行了实地测试。在室外光照6小时后，产生了4.4伏的开路电压和20.1毫瓦的功率，同时产生0.5毫摩尔的氢气和0.2毫摩尔的氧气。这使得系统能够满足小型电子设备对电能的需求，同时也为氢能的产生提供了一种绿色、高效的解决方案。
图2. 光催化增强热化学电池的示意图。
四、结论与展望：
这些优势使得光催化热电技术为未来能源转换和可持续发展提供重要支持，多元化的能源利用为未来科技的发展提供了更多的可能性。
点击文末「阅读原文」，直达文献。
Authors: Yijin Wang, Youzi Zhang, Xu Xin, Jiabao Yang, Maohuai Wang, Ruiling Wang, Peng Guo, Wenjing Huang, Ana Jorge Sobrido, Bingqing Wei, and Xuanhua Li*
Title: In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production
Published in: Science, doi: 10.1126/science.adg0164
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