动静结合:摩擦纳米发电技术助力清洁氢能源开发

氢能源作为一种绿色洁净且高效的能源技术,长久以来受到人们的广泛关注。在众多制氢技术中,光电催化制氢(photoelectrochemical watersplitting,PEC)技术能够收集太阳能并将其转化为氢能,从而实现了水——氢的绿色循环。通常人们使用半导体材料作为光电催化电极,然而受制于低的光生载流子迁移率和高的电子空穴复合效率,PEC制氢效率仍然远远低于人们的预期。一种常用的解决办法是利用外加电场来高效地提高载流子的迁移并抑制光生空穴电子对的复合,但是从能量收集的角度来说,制氢效率的提高得益于额外的电能消耗,因此开发其他形式的电能供应源势在必行。

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)是一种新型、高效的机械能——电能转换装置,它耦合了摩擦起电以及静电感应原理,利用不同物质之间摩擦电极序的不同来实现净电荷的高效分离。在外力作用下,积累了异种净电荷的两极板的相对位置发生变化,从而引起两极板上电势差发生变化,这样,变化的电势差使得外电路中产生了电荷流动,形成电流。对于TENG,可选用的构建材料种类很多,并且对于低频、无规则的机械振动,TENG展现了优于传统电磁感应技术的收集效率,因此TENG在海洋能、潮汐能等领域应用前景广阔。

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为此,北京纳米能源与系统研究所王中林研究团队与北京科技大学王宁教授合作将TENG与传统光电催化系统相结合,实现了对机械能和太阳能的复合收集以及自驱动高效制氢。利用ITO制备柔性摩擦纳米发电机,并将水热法制备得到的TiO2纳米阵列作为光阳极,在TiO2表面修饰金纳米颗粒,利用金纳米颗粒的表面等离子体共振效应来吸收太阳光中的可见光部分。实验证实此复合系统对机械能和太阳能具有良好的响应,约60N的外力下,收集40 min的机械能就可以在0.3 cm2的光阳极上产生超过9 µA的瞬间电流,反应池中可以观察到明显的气泡产生。该工作进一步展示了摩擦纳米发电机在复合能源收集领域的应用前景,也为氢能源制取提供了新的设计思路。相关文章发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700124)上。

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