基于水/氧循環(huán)的生物光電化學(xué)體系用于太陽能轉(zhuǎn)化與存儲

    太陽能作為自然界中存在最廣泛的可再生能源（23,000 TW/年），如何實(shí)現(xiàn)其高效合理地開發(fā)利用一直是科研工作者們的研究熱點(diǎn)。從目前發(fā)展階段來看，對太陽能的利用主要集中在太陽能電力系統(tǒng)、太陽能熱力系統(tǒng)以及太陽能燃料系統(tǒng)三個方面。然而，地球自轉(zhuǎn)引起的區(qū)域性光源間歇問題卻極大的限制了太陽能向其他能源的連續(xù)轉(zhuǎn)化，使其不能滿足日常生產(chǎn)生活中源源不斷地能量需求。針對這一問題，科學(xué)家們提出了相應(yīng)的能源儲備戰(zhàn)略。通過將光電化學(xué)體系與二次電池或液流電池體系連用，實(shí)現(xiàn)了太陽能的轉(zhuǎn)化與存儲，有效地解決了光源間歇所引起的能源供需問題。但多體系連用存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高、能量傳輸損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)。因此，如何合理地設(shè)計(jì)一體化太陽能蓄放體系便成為科研工作者們下一步需要解決的研究難題。 

　　近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所董紹俊團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建基于水/氧循環(huán)的生物光電化學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了一體化體系下太陽能的連續(xù)轉(zhuǎn)化與存儲，為可再生能源的高效利用提供了一條新的研究思路。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的生物光電化學(xué)體系以聚吡咯固態(tài)電容電極作為儲能模塊，使能量存儲過程更為安全、簡便。在太陽能蓄放過程中，體系中的水/氧分子能自發(fā)形成循環(huán)，不需要額外犧牲試劑與其它氧化還原對的參與，極大地提高了設(shè)備安全性并降低了成本。此外，該體系模塊化與集成化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其能夠根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，更好的滿足多方面實(shí)際應(yīng)用需求。實(shí)驗(yàn)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±0.02mWcm^-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。通過改變儲能模塊（聚吡咯電容電極）的電容量，充/放電時間可以得到有效調(diào)控。在本項(xiàng)研究工作中，水/氧循環(huán)生物光電化學(xué)模型的構(gòu)建一方面推動了光電化學(xué)體系、生物電化學(xué)體系以及電容器體系間的交叉融合發(fā)展，另一方面也為未來綠色化可充電設(shè)備的研究發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意義。這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society（2019, 141, 16416-16421）上，得到了國家自然科學(xué)基金和國家科技部基金的支持。 

（電分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于水/氧循環(huán)的生物光電化學(xué)體系用于太陽能轉(zhuǎn)化與存儲