我国科学家光催化加强热电材料功效登《科学》

北京时候2023年7月21日，西北工业年夜学材料学院纳米能源材料研究中间李炫华传授团队在《科学》（Science）杂志在线颁发题为《原位光催化加强热氧化还原电池实现同时产电产氢》（In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production）的研究论文。该研究提出光催化加强热电材料的多功能器件设想思绪，处理了热化学电池持久面对的电解质离子年夜浓差难以建立的要害困难，实现了功能器件电能和氢能的协同制备，为将来多元化能源的有用开辟和立异设想供给了焦点要害手艺。

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西工年夜2019级博士研究生王一瑾为论文的第一作者，李炫华传授为论文的独一通信作者。特拉华年夜学魏秉庆传授、英国伦敦玛丽女王年夜学安娜博士、新加坡南洋理工年夜学黄娴静博士为论文的配合作者。

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《科学》在同期还颁发了题为《电化学废热搜集》（Electrochemical waste-heat harvesting）的不雅点文章（perspective），重点报导了该研究功效。不雅点文章中屡次����APP利用“第一步”（a first step）、“创记实的热功率表示”（record-high thermogalvanic performance）、“供给了根基设想准绳”（provides essential design principles）和“斥地了一条使人兴奋的新线路”（pioneers an exciting new route）等阐述，对本项研究工作赐与高度评价，并指出“光催化”策略对热化学电池器件的优化供给了新的看法，具有主要的指点意义。

低档次热能普遍具有在情况和工业进程，例如太阳能、地热能，和车辆、工业、电子元器件发烧等。但因为缺少经济高效的能源收受接管手艺，该部门能量根基被烧毁。保守的热电手艺在热功率方面具有限制，凡是仅能供给较低的热功率。为了降服这一限制，热化学电池被提出并作为一种有用的替换品，能够供给更高的热功率，到达每度每毫伏（mV/K）的程度。按照理论阐发，热功率与氧化还原离子之间的熵差（ΔS）和电池冷热两头的离子浓度差（ΔC）相关。是以，若何提高ΔS和ΔC成为处理热化学电池的要害焦点。曩昔10年，诸多研究团队环绕该问题展开了年夜量相干研究，今朝科学家已有用处理了ΔS受限的问题。可惜的是，迄今为止，都没有找到一个有用的方式，实此刻热化学电池中建立年夜ΔC，致使热功率只要3.7 mV K–1。究其缘由在在，氧化还原离子对的浓度梯度在热力学上是不不变的，很轻易自觉衰减。面临这一问题，李炫华团队经由过程学科交叉思惟，基在热化学电池和光催化都利用氧化还原离子对的特点，提出了一个假想：是不是能够经由过程光催化的方式来原位提高热化学电池离子的浓度差，并奇妙“同享”两种氧化还原离子对，从而加强热功率的输出？这一假想基在对热化学电池和光催化的深切理解，经由过程将光催化和热化学电池交叉融会，无望创制出全新的热电系统，以晋升器件机能。

图1：光催化加强热化学电池的机理图。A 热化学电池工作机理图；B和C 光催化原位加强热化学电池机理图

为了实现该假想，李炫华团队采取铁氰根（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，热端产氧催化剂增进了FeCN3-到FeCN4-转化，同时发生氧气。冷端产氢催化剂增进了FeCN4-到FeCN3-转化，同时发生氢气。热端高浓度的FeCN4-在热力学上加强了FeCN4-到FeCN3-的氧化反映，使得更多的电子转移到热电极上；而冷端四周高浓度的FeCN3-在热力学上加强了FeCN3-到FeCN4-的还原反映，从而实现从冷电极吸引更多的电子(图1)。经由过程两个氧化还原离子的协同优化，成功取得了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力到达0.4%（图2）。在此根本上，研究团队建立了一个由36个单位构成的年夜面积光催化加强热化学电池 (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，发生了4.4伏的开路电压和20.1毫瓦的功率，同时发生0.5毫摩尔的氢气和0.2毫摩尔的氧气。这使得系统可以或许知足小型电子装备对电能的需求，同时也为氢能的发生供给了一种绿色、高效的处理方案。这些劣势使得光催化热电手艺为将来能源转换和可延续成长供给主要撑持，多元化的能源操纵为将来科技的成长供给了更多的可能性。

图2：光催化加强热化学电池的示企图

本项研究自2020年最先，在研究进程中课题也面对了一系列坚苦，包罗热电系统的搭建、氧化还原介质的选择、婚配催化剂的选择、电极的选择，和文章的构想和撰写等。为了降服这些坚苦，课题组充实阐扬光催化和钙钛矿范畴成员的专业常识和技术，并获得了材料学院和纳米能源材料研究中间同事的帮忙撑持。另外，与同范畴的研究者和尝试室合作，同享资本和经验，配合处理尝试中碰到的要害问题。这类合作无懈和常识交换的体例帮忙降服了很多手艺和尝试上的坚苦，鞭策了研究的进展。终究，此项研究功效成功颁发，为洁净能源范畴的立异成长做出了主要进献。

该研究获得了国度天然科学基金国际合作交换项目、面上项目，陕西省卓异青年基金，深圳市科创委重点项目，西北工业年夜学310项目，凝固手艺国度重点尝试室自立课题、测试中间的帮助撑持。该研究的有用展开离不开西北工业年夜学材料学院纳米能源材料研究中间的平台撑持。中间成立在2014年，遭到了黉舍和学院的鼎力撑持，是黉舍首批扶植的人材特区，依托我校材料“双一流”重点学科，今朝已组建了具有多学科布景的高本质师资步队，凝炼了具有特点的研究标的目的，产出了一批具有国际进步前辈程度的科研功效。

持久以来，李炫华传授团队环绕国度“双碳”计谋严重需求，系统展开光催化氢能制造与太阳能电池相干研究。同时，针对国度在航空、航天、帆海范畴新能源的非凡需求，经由过程材料、道理、器件的原始立异，系统设想了范围化、智能化和多功能化的氢能与太阳能集成装备。今朝，李炫华传授掌管国度、省部级等各类项目10余项，授权国度发现专利27项，以第一作者或通信作者在《科学》（Science）,《天然·能源》（Nature Energy），《天然·通信》（Nature Communications）, 《科学·进展》（Science Advances）等国际期刊颁发论文100余篇。

将来，团队将进一步环绕光催化热电系统集成和光催化氢能制造在能源多元化操纵方面展开研究。

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,乐鱼报道