西建大云斯寧：氮氧化鈮在第三代太陽能電池和厭氧發酵系統中的應用

【引言】

能源危機和環境污染是人類社會面臨的兩大挑戰。可再生能源的高效開發和利用是解決這一問題的關鍵所在。太陽能和生物質能（從廣義上講，生物質能也是一種太陽能）作為資源最豐富的可再生能源，其開發利用成為近年來十分重要的研究課題。在近幾年中，和傳統的第三代太陽能電池組件材料相比，許多先進組件出現并用于增強電池的商業化應用，如含水電解液、塑料基底和碳質對電極。毫無疑問，先進材料將會在實現可再生能源快速發展方面起到至關重要的作用。

【成果簡介】

近期，西安建筑科技大學功能材料研究所云斯寧教授（通訊作者）課題組在Journal of Power Sources上發表一篇題為“Fabrication of niobium-based oxides/oxynitrides/nitrides and their applications in dye-sensitized solar cells and anaerobic digestion”的文章。該課題組聚焦于可再生能源的綜合開發與資源化利用，巧妙地將溶液法合成的氧化鈮滲氮處理，成功地獲得了氮化鈮和氮氧化鈮，進一步將這些產物應用于太陽能電池和厭氧發酵系統。在太陽能電池中，氮氧化鈮表現出優異的催化活性和穩定性，取得的能量轉換效率可以貴金屬鉑相匹配（6.36% vs. 7.19%）。在厭氧發酵系統中，這些化合物作為促進劑，對整個發酵過程中的產氣量和化學需氧量等產生了顯著的影響。與對照組（409.2 mL/g VS和29.55%）相比，厭氧發酵系統的累計產氣量達437.1-522.7 mL/g VS，化學需氧量去除率達56.08%-65.19%。鈮基化合物不僅顯著地提高了催化性能，而且大大地改善厭氧發酵的發酵環境，提高底物利用率，降低沼渣沼液的危害。

【圖文導讀】

圖1.鈮基化合物的合成及雙功能應用示意圖

(a)鈮基化合物合成示意圖

(b)雙功能應用示意圖

圖2.XRD圖及FESEM圖

(a)鈮基化合物的XRD圖

(b)NbO₂的FESEM圖

(c)Nb_3.49N_4.56O_0.44的FESEM圖

(d)NbN的FESEM圖

圖3.產物的電化學性能

(a)NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt對電極在I^-₃/I^-電解液中的CV曲線，掃描速率為50 mV/s，插圖中的等式是碘化物在相應氧化峰和還原峰處的反應過程

(b)不同掃描速率下Nb_3.49N_4.56O_0.44對電極在I^-₃/I^-電解液中的CV曲線，從內到外掃描速率分別為25 mV/s、50 mV/s、75 mV/s、100 mV/s、150 mV/s和200 mV/s

(c)相應氧化還原峰處電流與掃描速率平方根之間的函數關系圖

(d)Tafel極化曲線

(e)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt對電極電池各自的Nyquist圖

(f)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt對電極電池各自的Bode相圖

圖4.對電極催化劑的電化學穩定性

(a-c)在掃描速率為50 mV/s的條件下連續循環掃描100次所得到的NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44和NbN對電極各自的CV曲線

(d)NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44對電極循環次數和最大氧化還原峰的關系圖

圖5.DSSCs的光伏特性

(a)一個太陽光強度(氙弧燈, 1.5 AM, 1000 W/m²)及黑暗條件下DSSCs的J-V特性曲線，對電極分別為NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt，插圖是DSSC的示意圖

(b)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt對電極DSSCs的IPCE曲線，電池活性區域為0.16 cm²

圖6.沼氣產量

(a-c)厭氧發酵系統中加入不同量鈮基化合物后沼氣的日產量變化圖

(d-f)厭氧發酵系統中加入不同量鈮基化合物后沼氣的累積產量圖

圖7.PH和COD去除率

(a-c)加入不同量鈮基化合物后沼池的pH值，pH_in和pH_out分別表示沼池的初始pH值和最終pH值

(d-f)加入不同鈮基化合物后沼池的COD去除率

圖8.沼渣的穩定性

(a)加入最佳量的鈮基發酵促進劑和控制樣本后厭氧發酵系統中沼渣的TG曲線

(b)加入最佳量的鈮基發酵促進劑和控制樣本后厭氧發酵系統中沼渣的DTG曲線

(c)加入最佳量的鈮基發酵促進劑和控制樣本后厭氧發酵系統中沼渣的DSC曲線

【小結與展望】

云斯寧教授課題組的工作不僅建立了一種氮氧化物和氮化物合成的有效策略，而且實現了鈮基化合物在電催化領域和生物領域的雙功能應用，不但為太陽能電池開發了一種催化材料，而且為厭氧發酵開發了一種高效的生物促進劑。這項研究為現有鈮基化合物的多功能起到了很好的充實作用，同時也為其它過渡金屬化合物在生物領域中的應用提供了新的研究思路。

文獻鏈接：Fabrication of niobium-based oxides/oxynitrides/nitrides and their applications in dye-sensitized solar cells and anaerobic digestion(Journal of Power Sources, 2016, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.082)

本文由材料人編輯部新能源學術組Jon【黃綿吉】供稿，感謝云斯寧老師的校對指導。

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