王中林&王寧&曹霞Adv. Energy Mater.：通過摩擦納米發電機充電鋰離子電池促進光電化學水分解

【引言】

在過去的幾十年中，光電化學（PEC）發電是電能轉換和儲存電能的重要趨勢。這一趨勢發展不僅是由于高效光電極材料和催化劑方面的材料科學取得進步， 還和混合能量轉換技術的設計優化有關。自從20世紀70年代以來，PEC水分解是有效利用水和太陽能等可再生資源的最有潛力的方法之一 。近幾十年來，太陽能-氫能（STH）轉換效率不斷提高，光電效率理論上可以高達90％-95％。然而，目前氫生產技術仍然離實際應用很遠，主要是由于缺乏合適的電極材料以及理想的能量學。而作為能量轉換的創新思路，摩擦納米發電機（TENG）特別適用于從低頻運動和海浪中收集機械能，這一特點使其適用于海水淡化和水分解。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院王中林院士和北京科技大學王寧教授、曹霞教授（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.發表了題為“Boosting Photoelectrochemical Water Splitting by TENG-Charged Li-Ion Battery ”的文章。這篇文章研究了在摩擦納米發電機（TENG）增強的PEC電池中外部環境的機械能是如何引起水分裂的。在這里，一個可變換模式的TENG收集機械能，并將其轉化為電流，從而通過充電的鋰離子電池來促進PEC水分解。 Au納米顆粒沉積在TiO₂納米陣列上，進而可通過表面等離子共振效應將可用光譜擴展到可見光部分，其在AM 1.5G照明下產生1.32mA·cm^-2的光電流密度，在可見光下偏壓為0.5V時電流密度為0.12mA·m^-2。TENG充電電池通過耦合電解和增強電子-空穴分離效率可提高水分離性能。混合電池顯示出超過9mA的瞬時電流，工作電極面積為0.3cm²，表明一種可同時將太陽輻射和機械能轉化為氫的簡單且有效的途徑。

【圖文導讀】

圖一：TENG-PEC混合電池的基本原理以及TENG的典型設計

(a) TENG-PEC混合電池的基本原理。

(b) 基于n型半導體的PEC水分解單元。

(c) 可使聚四氟乙烯（PTFE）和氧化銦錫（ITO）之間接觸或分離的TENG的典型設計。使用感應耦合等離子體（ICP）蝕刻產生凹面納米結構，這將增加TENG的接觸面積和輸出性能，如圖(d)所示。

(d) PTFE摩擦層表面的SEM圖像。

圖二：Au修飾的TiO2納米陣列的表征結果

(a) 在FTO底物上生長的TiO₂納米陣列的代表性SEM圖像。

(b) 制備的TiO₂的拉曼光譜。

(c-d) Au-修飾的TiO₂納米陣列的XPS光譜。

(e) ?Au修飾TiO₂的高分辨率TEM圖像。

(f) 通過能譜儀(EDS)元素分布圖顯示TiO₂納米陣列表面上Au顆粒。

圖三：在黑暗和照明條件下，TiO2和Au修飾TiO2納米陣列的性能比較

(a )在黑暗和照明條件下，在1 m KOH溶液中裸露和Au修飾的TiO2納米陣列的線性掃描伏安圖。

(b) 具有0和0.5V偏壓的Au修飾TiO₂的電流密度-時間曲線。

(c) 具有不同偏壓的Au修飾的TiO₂的光電流。

(d) 作為應用電位的光轉換效率。

(e-f) 在黑暗和光照下的Au修飾TiO₂的電化學阻抗譜的奈奎斯特圖。

圖四：摩擦納米發電機(TENG)的性能表征

(a-c) 由直線電動機驅動的TENG的短路電流，開路電壓和轉移電荷。

(d) 可變負載電阻下的輸出電流和功率。

圖五：TENG-PEC混合電池的性能表征

(a) 整流式TENG充電鋰離子電池的充電過程。

(b) 光電流偏置電源的影響。

(c) 不同電壓下TENG充電鋰離子電池混合PEC電池的瞬時放電過程。

(d) 由TENG-PEC混合電池驅動的水分解過程的圖像。

【小結】

研究人員開發了一種新型的TENG-PEC混合電池，通過耦合電解和光電化學效應有效實現水分解。 由TENG充電電池提供的電場將光電流提升到1.6 mA·cm^-2，而工作電極面積為0.3 cm²時瞬時電流可以達到9 mA以上。 這些結果表明，電場不僅在電解中起關鍵作用，而且提高了太陽能利用效率。 此外，外部偏置電源通常意味著PEC電池的消耗降低了實際的能量轉換效率。 因此，這種TENG-PEC混合電池是將機械能和太陽能轉化為化學能的簡單有效的方法。

文獻鏈接：Boosting Photoelectrochemical Water Splitting by TENG-Charged Li-Ion Battery（Adv. Energy Mater.2017，DOI: 10.1002/aenm.201700124 ）

本文由材料人編輯部稻殼小王子編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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