編者按:中國科學院博士生研究團隊研究成果成功在《美國化學會志》發(fā)表,研究方向為構(gòu)建基于水/氧循環(huán)的生物光電化學模型,成功實現(xiàn)了集成化體系下太陽能的連續(xù)轉(zhuǎn)化與存儲。
中國科學院長春應用化學研究所博士生張鶴獨自坐在實驗臺前,通過觀察電化學工作站數(shù)據(jù)的運行情況,不斷手動調(diào)整裝置的連接模式。這是他近段時間以來工作日常的縮影。
“有時候循環(huán)測試可能需要十幾個小時,操作者必須寸步不離地守在實驗裝置前。”他告訴《中國科學報》。
最近,張鶴終于得以短暫地放松。在中國科學院院士董紹俊的指導下,他所在的團隊通過構(gòu)建基于水/氧循環(huán)的生物光電化學模型,成功實現(xiàn)了集成化體系下太陽能的連續(xù)轉(zhuǎn)化與存儲。相關(guān)成果日前發(fā)表于《美國化學會志》。
不間斷的太陽能
地球自轉(zhuǎn),引起了自然界中白晝與黑夜的交替變化,這導致了區(qū)域性的陽光照射是間歇的、非連續(xù)的。
對于傳統(tǒng)光伏器件而言,要想獲得源源不斷的電力輸出,連續(xù)不斷的光照是裝置正常運行的最基本條件。然而,受區(qū)域性光照間歇的影響,光伏器件中的能源轉(zhuǎn)換(光能到電能)是一個非連續(xù)性過程。這在很大程度上限制了太陽能的直接利用,使其不能滿足實際生產(chǎn)生活中日以繼夜的電力需求。
為解決這一問題,科學家們提出了相應的能源儲備戰(zhàn)略,通過將光電化學體系與二次電池或液流電池體系連用,實現(xiàn)了太陽能的轉(zhuǎn)化與存儲。
“但是,多體系連用存在系統(tǒng)復雜、成本較高、能量傳輸損耗嚴重等缺點。”論文第一作者張鶴分析,多體系連用一方面需要考慮體系與體系間的匹配問題,另一方面能量在傳輸轉(zhuǎn)移過程中容易以熱能形式出現(xiàn)不可避免的損耗。這樣一來,既增加了設(shè)備成本,也不利于存儲能源的有效利用。
2018年,該團隊通過將n—型半導體光陽極與多銅氧化酶生物陰極相匹配,成功構(gòu)建了一個基于水/氧循環(huán)的生物光電化學池,實現(xiàn)在體系水/氧循環(huán)狀態(tài)下從光能與化學能到電能的連續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。
不過,與傳統(tǒng)光電化學體系相同,該體系的運行完全受控于外界光照情況,亟須進一步修正。
“我們團隊在此前研究工作的基礎(chǔ)上,通過引入儲能模塊(聚吡咯電容電極),建立起一個集成化的生物光電化學模型體系。在體系中水/氧自循環(huán)的狀態(tài)下,實現(xiàn)了光照與暗場條件下源源不斷的電力輸出。”張鶴說。
把太陽能存儲起來
針對電池體系的研究,該團隊從考察單個電極的電化學行為入手,從單個電極到單個電池再到整個體系,由簡及繁地對所構(gòu)建模型體系的各個組分及整體性能進行考察。
首先遇到的難點就是儲能模塊的選擇。
論文作者之一、中國科學院長春應用化學研究所博士生黃亮告訴《中國科學報》,為確保固態(tài)電容電極的正常蓄能,一方面其充/放電電勢窗口需介于光生物燃料電池兩電極電勢之間;另一方面需確保該電極在中性電化學體系中具備較高且穩(wěn)定的電容量。“經(jīng)過多方面優(yōu)化選擇與測試,我們選擇聚吡咯電容電極作為儲能模塊。”
果不其然,聚吡咯電容電極扮演的雙重角色實現(xiàn)了光電化學體系與電池體系的集成化連用。
光照條件下,在光電化學體系中,聚吡咯電容電極作為陰極接受來自陽極產(chǎn)生的光電子,并憑借自身的電容性能將其存儲起來,實現(xiàn)光能到電能、化學能的轉(zhuǎn)化;暗場條件下,在電池體系中聚吡咯電容電極又作為陽極將存儲的光電子傳輸?shù)缴镪帢O,實現(xiàn)化學能到電能的轉(zhuǎn)化。
第二大難點在于體系蓄放過程中各個電極間電位的匹配問題。
“需要確定電容電極的充/放電電位。”論文作者之一、中國科學院長春應用化學研究所副研究員翟俊峰告訴《中國科學報》,在光電化學體系中,陽極光催化水氧化(OER)電位需要低于- 0.1 V才能有效地實現(xiàn)光生電荷在電容電極上的存儲,因此二氧化鈦電極可以作為合適的光催化材料應用在該體系中。
而在生物燃料電池體系中,陰極催化氧還原電位需要高于0.3 V才能有效地實現(xiàn)光生電荷從電容電極上的釋放。因此,團隊選擇膽紅素氧化酶作為合適的生物催化材料,應用在該體系中。
實驗數(shù)據(jù)分析顯示,該概念模型在光照與暗場條件下分別獲得0.34 ± 0.01 和 0.19 ± 0.02 mW cm-2的最大功率密度輸出,并且展現(xiàn)出穩(wěn)定的太陽能蓄放循環(huán)性能。此外,通過改變儲能模塊(聚吡咯電容電極)的電容量,體系充/放電時間可得到有效調(diào)控。
助力綠色新能源發(fā)展
張鶴認為,該模型體系的建立有望實現(xiàn)太陽能蓄放體系向簡單化、小型化與低成本化發(fā)展,并且為環(huán)境友好型綠色新能源的發(fā)展提供了一條新的研究思路。
“通過體系中簡單的水/氧循環(huán),太陽能便可以在這個集成化器件中得到連續(xù)轉(zhuǎn)化、存儲與釋放,實現(xiàn)光照與暗場條件下源源不斷的電力輸出,避免了區(qū)域光照間歇性所帶來的太陽能轉(zhuǎn)化不連續(xù)問題。”張鶴介紹,這也是該研究的創(chuàng)新之處。
他相信,在相關(guān)工業(yè)技術(shù)支持下,該模型有望在新興綠色能源器件商業(yè)化應用中得到發(fā)展。“比如,通過電池串聯(lián)的方式,可以實現(xiàn)小型能源器件的商業(yè)化應用,來滿足日常生活中手機充電設(shè)備、家用備用電源以及小型路燈的使用。”
下一步,團隊將以該研究工作為基礎(chǔ)模型,針對實際生產(chǎn)生活中的一些具體問題,進行體系改進與優(yōu)化,以擴大該模型的相關(guān)應用前景。
原標題:新型儲能系統(tǒng):把太陽能裝進電池里