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基于水/氧循环的生物光电化学体系用于太阳能转化与存储

2019-12-02 14:10 浏览:56 评论:0 来源:X-MOL   
核心摘要:太阳能作为自然界中存在最广泛的可再生能源(23,000 TW/年),如何实现其高效合理地开发利用一直是新型能源体系发展的研究重点。

太阳能作为自然界中存在最广泛的可再生能源(23,000 TW/年),如何实现其高效合理地开发利用一直是新型能源体系发展的研究重点。近日,中科院长春应化所董绍俊院士(点击查看介绍)团队通过构建基于水/氧循环的生物光电化学模型,实现了集成化体系下太阳能的连续转化与存储,这为解决区域性光照间歇所引起的能源转化供需问题提供了一条新的思路。



随着科学技术与生产力的发展,电力作为一类高质量的清洁能源已经渗透到人们日常生活的各个角落。目前,通过光电转化这一途径来获取电力被认为是开发利用太阳能可再生资源的有效手段。然而,地球自转过程中所引起的区域性光照间歇问题却阻碍了这一能量转化的连续进行,使其不能满足实际生产生活中源源不断的电力需求。因此,如何同时实现太阳能的转化与存储成为当下科研工作者们需要解决的研究课题。近来研究报道指出,将光电化学体系与储能体系(例如:二次电池、液流电池等)连用可以有效地实现太阳能电力的存储。但多体系连用存在设计复杂、工艺成本高以及能量传输损耗严重等问题,并且不利于大规模的扩展应用。



中科院长春应化所董绍俊院士团队设计的集成化生物光电化学模型则有效地规避了多体系连用中存在的诸多问题,为太阳能资源的有效分配与合理利用提供了一条可借鉴的绿色道路。该团队通过设计电池体系,将聚吡咯固态电容电极引入光生物燃料电池中,建立起了一个基于水/氧循环的生物光电化学模型,实现了集成化体系下太阳能的循环蓄放。相较于传统太阳能燃料和液态氧化还原对的储能过程,聚吡咯固态电容电极则为太阳能的蓄放提供一个更加轻便、可扩展应用的储能模块,使能量存储更为安全、简便。其次,在太阳能蓄放过程中,体系中的水/氧分子能自发形成循环,不需要额外牺牲试剂与其它氧化还原对的参与,极大地提高了设备安全性并降低了设备成本。此外,该体系模块化与集成化的结构设计也使其能够根据不同实际情况进行调整优化,更好的满足多方面应用需求。





实验数据分析显示,该概念模型在光照与暗场条件下分别获得0.34 ± 0.01 和 0.19 ± 0.02 mW cm-2的最大功率密度输出,并且展现出稳定的太阳能蓄放循环性能。通过改变储能模块(聚吡咯电容电极)的电容量,充/放电时间可以得到有效调控。在本项研究工作中,水/氧循环生物光电化学模型的构建一方面推动了光电化学体系、生物电化学体系以及电容器体系间的交叉融合发展,另一方面也为未来绿色化可充电设备的研究发展提供一定的指导意义。





这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上,文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所博士研究生张鹤。

(责任编辑:X-MOL)
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