21日從西北工業(yè)大學獲悉，該校材料學院納米能源材料研究中心李炫華教授團隊提出光催化增強熱電材料的多功能器件設計思路，解決了熱化學電池長期面臨的電解質離子大濃差難以構建的關鍵難題，實現了功能器件電能和氫能的協同制備，為未來多元化能源的有效開發(fā)和創(chuàng)新設計提供了核心關鍵技術。
低品位熱能廣泛存在于環(huán)境和工業(yè)過程，例如太陽能、地熱能及車輛、工業(yè)、電子元器件發(fā)熱等。但由于缺乏經濟高效的能源回收技術，該部分能量基本被廢棄。傳統的熱電技術在熱功率方面存在限制，通常僅能提供較低的熱功率。為了克服這一限制，熱化學電池被提出并作為一種有效的替代品，可以提供更高的熱功率。根據理論分析，熱功率與氧化還原離子之間的熵差以及電池冷熱兩端的離子濃度差有關。因此，如何提高熵差和離子濃度差成為解決熱化學電池發(fā)展問題的關鍵核心。
過去10年，諸多研究團隊圍繞該問題開展了大量相關研究，目前科學家已經有效解決了熵差受限的問題。但迄今為止還沒有找到有效方法實現在熱化學電池中構建大離子濃度差，導致熱功率較低。究其原因，氧化還原離子對的濃度梯度在熱力學上不穩(wěn)定，很容易出現自發(fā)衰減。
針對這一問題，李炫華團隊運用學科交叉思想，基于熱化學電池和光催化都使用氧化還原離子對的特點，提出設想：是否可以通過光催化的方法來原位提高熱化學電池離子的濃度差，并巧妙“共享”兩種氧化還原離子對，從而增強熱功率的輸出？這一設想通過將光催化和熱化學電池交叉融合，有望創(chuàng)制出全新的熱電系統，提升器件性能。
由此，李炫華團隊采用鐵氰根和亞鐵氰根離子作為氧化還原電對，聚丙烯酸水凝膠作為基體。在光照條件下，通過兩個氧化還原離子的協同優(yōu)化，成功獲得了較高的熱功率，是當前氧化還原離子對熱功率最高值的2倍；同時，系統的太陽能到氫能轉換效率達到0.4%。
在此基礎上，研究團隊構建了一個由36個單元組成的大面積光催化增強熱化學電池（112平方厘米），并在西安進行了實地測試。在室外光照6小時后，產生了4.4伏的開路電壓和20.1毫瓦的功率，同時產生0.5毫摩爾的氫氣和0.2毫摩爾的氧氣。這使得系統能夠滿足小型電子設備對電能的需求，同時也為氫能的產生提供了一種綠色、高效的解決方案。這些優(yōu)勢使得光催化熱電技術為未來能源轉換和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持，多元化的能源利用為未來科技的發(fā)展提供了更多的可能性。相關研究成果于7月21日在線發(fā)表在《科學》上。（記者張亞雄、張哲浩）
轉自：光明日報
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