Energy Environ. Sci.：藍色能源燃料—通過CO2還原反應將海洋波浪能轉化為液體碳燃料

【引言】

CO₂的電化學還原反應能將CO₂轉化成液體碳燃料，減輕目前能源和環境的需求。然而，可再生、可持續的能源驅動的這種反應未充分開發，目前是一項挑戰。海洋波浪能是豐富、可持續的能源，和太陽能相比，受天氣條件的影響較小，但未被廣泛利用，其中一個原因是電磁式發電機作為波浪發電機卻不能漂浮在海面上，需要支撐平臺或者固定在海底上，會給海洋生物帶來困擾。摩擦納米發電機能利用摩擦起電和靜電感應的效應將機械能轉化為電能，為了解決電磁式發電機的上述問題，最近應用于捕獲波浪能。波浪能轉化為電能后儲存在化學燃料里，與通過超級電容器和電池儲能相比更可取。目前還沒有摩擦納米發電機驅動的CO₂的電化學還原反應制備液體碳燃料的報道。

【成果簡介】

近日，香港城市大學的何志浩教授（通訊作者）等人聯合佐治亞理工學院的王中林教授與沙特KAUST的Khaled Salama教授報道了彈簧輔助的球形摩擦納米發電機捕獲的波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應制備液體碳燃料。這種摩擦納米發電機和電磁式發電機相比更具性價比。而且，它和以往的摩擦納米發電機相比具有更高的波浪能轉化效率和功率輸出，能漂浮在海面上，對環境的影響最小，操作簡單。他們通過優化這個波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應體系的參數，使CO₂的電化學還原反應的法拉第效率接近100%，使液體燃料產量最大。實驗室的表面積為0.04 m²的水上，CO₂的電化學還原反應的產物甲酸的最大產量為每天2.798 μmol。紅海上，風速為每小時18海里時，甲酸的產量為每天0.325 μmol。他們還對利用波浪能制備液體燃料的未來發展進行展望。上述成果發表在著名期刊Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖1.波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應體系的示意圖

這個體系由三部分組成：彈簧輔助的球形摩擦納米發電機；帶有整流器和超級電容器的能量存儲電路；用于CO₂的還原反應和析氧反應的雙電極電化學電池。

圖2.電化學反應和超級電容器的表征

(a)掃描速率為10 mV s^?1時0.5 M CO₂飽和的KHCO₃溶液中Bi₂O₃包裹的陰極的CO₂還原反應（藍色曲線）和1 M KOH溶液中Pt陽極的析氧反應的LSV曲線；

(b-c)四個平行連接的摩擦納米發電機充電、電容為0.01–0.1 F的超級電容器的電壓(b)和儲存的能量(c)與充電時間的關系；

(d)0.01F超級電容器由1.9 V充電至2.4 V的過程中電壓和充電時間的關系。

圖3.

3.9 V、 2.9 V和2.4 V的超級電容器放電到雙電極電化學電池的過程中其電壓（a）和電流（b）的曲線。

圖4.產物的NMR分析和能量轉換效率

(a)超級電容器從3.9 V、2.9 V和2.4 V放電后甲酸的法拉第效率；

(b)三個電壓下每個充放電循環和每天所產生的甲酸的物質的量；

(c)三個電壓下摩擦納米發電機的機械能、儲存在超級電容器中的電能和有助于甲酸轉化的能量。

圖5.波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應體系的現場測試

(a)現場測試的照片；

(b)不同風速下每天所產生的甲酸的物質的量。

【小結】

研究團隊報道了波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應體系將波浪能轉化成方便儲存和運輸的液體碳燃料。彈簧輔助的球形摩擦納米發電機將波浪能轉化成電能，價格便宜，質輕，對海洋生物的影響小。電能通過電化學反應將CO₂轉變成甲酸。而且，他們通過優化這個波浪能驅動的CO₂的電化學還原反應體系的參數，使CO₂的電化學還原反應的法拉第效率接近100%。另外，他們還在實際場景中測試了這個體系，證明這個體系具有實用性。

文獻鏈接：Blue Energy Fuels: Converting Ocean Wave Energy to Carbon-Based Liquid Fuels via CO₂ Reduction（Energy Environ. Sci.，2019，DOI：10.1039/C9EE03566D?）

何志浩(Jr-Hau He)目前為香港城市大學材料系教授。其研究領域是神經形態工程在網絡安全與深度學習(Neuromorphic engineering for cybersecurity and deep learning)，與光電器件的光管理，包括光電化學電池。這幾年基于過去的基礎瞄準材料學、電子學、信息學、物理與化學等學科的交叉領域，研究興趣延伸至納米能源材料與器件、自供電系統、紙印刷電子學，可撓式/透明電子組件等基礎與應用研究。

????何教授與其領導之研究團隊也在專業學會與會議得超過80個獎項，獲得國際上的同行肯定。除了科學研究之外，何志浩教授對技術工業化相當重視，積極參與產學合作、持續技術轉移給工業界。基于上述學術貢獻和前沿研究經驗，積極開展科研項目，過去從企業界與學術界承擔超過一千一百萬美金的項目支持。

????他是美國光學學會(OSA),國際光學工程學會(SPIE)與皇家化學學會(RSC)會士。目前也是IEEE Electron Devices Society與Nanotechnology council 杰出講師(Distinguished Lecturer)。曾獲得Nano Energy Award (2019) ，臺灣科技部杰青項目(吳大猷獎)(2014)與優秀青年項目(2011) 、中國電機工程學會優秀青年電機工程師獎?(2013)、臺灣鍍膜科技協會杰出青年獎(2012)、中華民國光電學會第一屆青年光電工程獎(2011)、臺灣電子材料與組件協會杰出青年獎?(2011)、?Prof. Jiang Novel Materials Youth Prize of International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (2011)與潘文淵基金會考察研究獎(2008) 以及獲選為Member of the Global Young Academy (2011)。

?????更多何志浩團隊在該領域工作與相關文獻，可連結:

http://personal.cityu.edu.hk/jrhauhe/

本文由材料人編輯部kv1004編譯供稿，材料牛整理編輯。
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