Adv. Mater.：高效的光催化劑驅動可逆氧化還原反應的太陽能收集和存儲

【引言】

為了更好地使用大量而間歇性的陽光，太陽能轉換和儲存的同時進行，受到越來越多的關注。在太陽能氧化還原電池（SPRC）中，驅動非自發可逆氧化還原反應的光電極，可以通過相應的逆反應遞送能量，這為直接太陽能收集和儲存提供了具有成本效益和有前途的方法。然而，缺乏具有高轉換效率和高耐久性的光電極，妨礙SPRC的實際應用。本文發現了一種新的光負極，顯著提高了太陽能到輸出能量轉換效率和循環性能。

【成果簡介】

近日，中國蘇州大學的趙宇和美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Guihua Yu（共同通訊）作者等人發現，WO₃修飾的BiVO₄光負極，不需要額外的電催化劑，可以實現單光催化劑驅動的SPRC，其太陽能到輸出能量轉換效率高達1.25％。在超過20個太陽能儲存/交付周期中，SPRC表現出穩定性、高效率和穩定性，主要原因是快速的氧化還原反應，良好匹配的能級和BiVO₄的高效收光和電荷分離。研究結果表明開發低成本的、耐用的且易于實施的太陽能技術是可行的。相關成果以“Efficient Solar Energy Harvesting and Storage through a Robust Photocatalyst Driving Reversible Redox Reactions”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 SPEC的裝置圖及催化劑的能帶與電位之間的關系圖

（a）SPEC的三種裝置類型；

（b）光催化劑能帶結構與氧化還原對氧化還原電位的關系。

圖 2 三電極電池的性能圖

（a）在三電極電池中，pH=4的緩沖溶液中，1日照下，PEC反應的典型J-V曲線圖；

（b）三電極電池中，PEC溴化物氧化的ABPE圖；

（c）在沒有外部電壓偏置的Nafon 211的H^-電池中，陽極驅動耦合的Br^-氧化和I₃^-還原的典型光電流-時間（J-t）圖。

圖 3 三電極電池的CV、CP及其功率密度圖

（a）在Pt電極和含有Na₂SO₄和H₃BO₃緩沖溶液中，KI和LiBr的CV曲線圖；；

（b）是（a）中裝置對應的CP曲線圖；

（c）是（a）裝置對應的循環性能圖；

（d）充滿電后，電流速率范圍從0.25到8 mA cm^-2，極化曲線的電位和相應的功率密度圖。

圖 4 SPRC的結構及性能表征

（a）SPRC的結構示意圖；

（b）SPRC的工作原理示意圖；

（c）SPRC的太陽能儲存曲線圖；

（d）SPRC的傳遞曲線；

（e）SPRC的太陽能輸送容量圖；

（f）SPRC的太陽能到輸出能量轉換效率圖。

圖 5 SPRC的輸送能力和輸出能量轉換效率圖

（a）SPRC的太陽能儲存曲線圖；

（b）SPRC流動模式輸送曲線圖；

（b）SPRC流動模式輸送能力和太陽能到輸出能量轉換效率圖。

【小結】

本文找到了低成本的、強大的光催化劑，驅動可逆氧化還原反應，最大限度地提高太陽能轉化和儲存的效率。BiVO₄光電陽極的PEC特性和合適氧化還原反應快速反應動力學特征，有助于提高太陽能到輸出能量轉換效率和循環性能。這項工作不僅為太陽能轉換和儲存提供了一種有前景且具有成本效益的方法，而且為快速的PEC氧化還原反應帶來了新的見解，有效的促進了太陽能利用。

文獻鏈接：Efficient Solar Energy Harvesting and Storage through a Robust Photocatalyst Driving Reversible Redox Reactions（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802294）。

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