我國(guó)科學(xué)家發(fā)布光催化增強(qiáng)熱電材料研究成果

7月21日記者從西北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校材料學(xué)院納米能源材料研究中心李炫華教授團(tuán)隊(duì)提出光催化增強(qiáng)熱電材料的多功能器件設(shè)計(jì)思路，解決了熱化學(xué)電池長(zhǎng)期面臨的電解質(zhì)離子大濃差難以構(gòu)建的關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了功能器件電能和氫能的協(xié)同制備，為未來(lái)多元化能源的有效開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了核心關(guān)鍵技術(shù)。

低品位熱能廣泛存在于環(huán)境和工業(yè)過(guò)程，例如太陽(yáng)能、地?zé)崮芗败?chē)輛、工業(yè)、電子元器件發(fā)熱等。但由于缺乏經(jīng)濟(jì)高效的能源回收技術(shù)，該部分能量基本被廢棄。傳統(tǒng)的熱電技術(shù)在熱功率方面存在限制，通常僅能提供較低的熱功率。為了克服這一限制，熱化學(xué)電池被提出并作為一種有效的替代品，可以提供更高的熱功率。根據(jù)理論分析，熱功率與氧化還原離子之間的熵差以及電池冷熱兩端的離子濃度差有關(guān)。因此，如何提高熵差和離子濃度差成為解決熱化學(xué)電池發(fā)展問(wèn)題的關(guān)鍵核心。

過(guò)去10年，諸多研究團(tuán)隊(duì)圍繞該問(wèn)題開(kāi)展了大量相關(guān)研究，目前科學(xué)家已經(jīng)有效解決了熵差受限的問(wèn)題。但迄今為止還沒(méi)有找到有效方法實(shí)現(xiàn)在熱化學(xué)電池中構(gòu)建大離子濃度差，導(dǎo)致熱功率較低。究其原因，氧化還原離子對(duì)的濃度梯度在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)自發(fā)衰減。

針對(duì)這一問(wèn)題，李炫華團(tuán)隊(duì)運(yùn)用學(xué)科交叉思想，基于熱化學(xué)電池和光催化都使用氧化還原離子對(duì)的特點(diǎn)，提出設(shè)想：是否可以通過(guò)光催化的方法來(lái)原位提高熱化學(xué)電池離子的濃度差，并巧妙“共享”兩種氧化還原離子對(duì)，從而增強(qiáng)熱功率的輸出？這一設(shè)想通過(guò)將光催化和熱化學(xué)電池交叉融合，有望創(chuàng)制出全新的熱電系統(tǒng)，提升器件性能。

由此，李炫華團(tuán)隊(duì)采用鐵氰根和亞鐵氰根離子作為氧化還原電對(duì)，聚丙烯酸水凝膠作為基體。在光照條件下，通過(guò)兩個(gè)氧化還原離子的協(xié)同優(yōu)化，成功獲得了較高的熱功率，是當(dāng)前氧化還原離子對(duì)熱功率最高值的2倍；同時(shí)，系統(tǒng)的太陽(yáng)能到氫能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.4%。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)由36個(gè)單元組成的大面積光催化增強(qiáng)熱化學(xué)電池（112平方厘米），并在西安進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。在室外光照6小時(shí)后，產(chǎn)生了4.4伏的開(kāi)路電壓和20.1毫瓦的功率，同時(shí)產(chǎn)生0.5毫摩爾的氫氣和0.2毫摩爾的氧氣。這使得系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足小型電子設(shè)備對(duì)電能的需求，同時(shí)也為氫能的產(chǎn)生提供了一種綠色、高效的解決方案。這些優(yōu)勢(shì)使得光催化熱電技術(shù)為未來(lái)能源轉(zhuǎn)換和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持，多元化的能源利用為未來(lái)科技的發(fā)展提供了更多的可能性。相關(guān)研究成果于7月21日在線發(fā)表在《科學(xué)》上。

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