余桂華Energy Environ. Sci.：基于太陽能驅動再生電化學循環的能量收集與存儲一體系統

金也 4年前 (2019-10-15) 3087瀏覽

【引言】

太陽能作為一種可再生能源，是世界上所有生命形式中最重要的能源。地球上大量的太陽能使之成為人類非常有吸引力的電力來源。自19世紀80年代設計的第一個太陽能電池以來，科學家為太陽能的有效利用開發了一系列先進的技術。目前，太陽能發電主要由直接利用太陽能的光伏系統和基于太陽能熱能發電的技術組成。考慮到太陽能的間歇性，同時的能量收集與存儲對于全天候的按需提供可分派電力非常重要，尤其是在偏遠地區。此外，以地球上廉價、豐富的材料為基礎，且無需復雜的制備工藝開發高性價比的能源系統以實現大規模太陽能轉換和存儲，對于緩解現代社會潛在的能源危機至關重要。

【成果簡介】

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授團隊在Energy Environ. Sci.上發表了一篇題為“Simultaneous energy harvesting and storage via solar-driven regenerative electrochemical cycles”的論文。該研究報道了一種新的太陽能驅動的再生電化學系統，同時實現了光電能量的收集和存儲。通過對電化學活性物質的理性篩選和綜合電化學研究，該能源系統基于溫差原電池原理可獲得高達-1.8 mV K-1的塞貝克系數。即使在35℃的低溫梯度下，也可以獲得較高的能量轉換效率（1.23%和11.9%相對卡諾效率）。為了進一步提高太陽能的轉化效率，余桂華教授的團隊設計了一種基于石墨烯的雙功能集流體兼太陽輻射吸收器，同時具有優異的導電性、光輻射吸收率及光熱轉化效率。光照條件下的概念驗證測試進一步證實了該系統的穩定性和幾乎可以忽略的自放電，展現出了其巨大的潛力。。這一創新的單元設計集成了同時的能量轉換和存儲，有望實現太陽能的合理利用和更廣泛的熱能的收集。

【成果簡介】

圖1太陽能再生電化學系統的工作原理和電池設計

（A）用于同時收集和輸送能量的能源系統示意圖；

（B）太陽驅動再生電化學循環的溫-熵圖

圖2所選活性物質的Seebeck系數測量和RDE測試

圖3電池的電化學特性

圖4光驅動的再生電化學循環器件設計及雙功能石墨烯集流體/輻射吸收體的設計與表征

圖5太陽能驅動的再生電化學電池性能

【小結】

該文章報道一種基于合理選擇的活性物質的溫差原電池原理以實現同時收集和儲存能量的新型電化學系統。并且通過綠色大規模制備工藝構建了雙功能的石墨烯集流體/輻射吸體，在不使用太陽聚光器和輔助電池的情況下，實現了全天候的能量收集、轉換與輸送。這種設計為開發新型能量收集與存儲一體系統提供了新的路線，有望通過使用廉價、豐富的材料和綠色、低成本的制備工藝來收集和儲存太陽能和更廣泛的熱能。

文獻鏈接：Simultaneous energy harvesting and storage via solar-driven regenerative electrochemical cycles, 2019, Energy Environ. Sci.DOI: 10.1039/C9EE01930H.

  • 團隊介紹及工作匯總

余桂華教授課題組專注于從化學的角度來設計新型能源轉化與存儲器件，綜合化學科學，材料科學和能源科學的跨學科研究，包括通過有機合成對活性物質的物理/化學性能進行優化，結合分子水平的電化學反應機理和反應動力學研究，輔以高性能理論計算模擬，發展了一系列新型有機液流電池、仿生液流電池。通過把“原子經濟性”的原則擴展到能源領域，為下一代綠色儲能材料的開發開創了新的方法，并對氧化還原反應電對的分子設計提供了新的理念。

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