基于多孔氮氧化钨纳米线新型阳极材料的能量转换与储存集成装置

随着全球化石能源的枯竭,环境污染问题日益严重,如何有效存储并利用绿色新型能源成为目前科学研究的热点问题。因此,如何将可再生能源转换为可以直接利用的能源形式,并将其有效存储是问题的关键。

目前多种高效的能源转换装置和能源存储装置被设计并得到应用。其中,微生物燃料电池是一种可以通过微生物将小分子有机物的化学能转化成电能的绿色能源转换装置。超级电容器是一种有效的电能储存装置,有着较高的输出功率,快速充放电能力,和十分优异的循环稳定性。两种装置的有效集成将对新型能源的开发利用有着重大的意义。

adma201500493最近,中山大学化学与化学工程学院卢锡洪副教授及其团队在微生物燃料电池和超级电容器集成化装置的研究取得了突破。他们在柔性碳纤维纺织布上制备的一种多孔氮氧化钨纳米线阵列。由于其特殊的多孔结构不仅赋予了氮氧化钨纳米线更多的活性位点,还为电解液的离子传输提供了非常好的通道。加之氮氧化钨纳米线本身优异的导电性,这种新型电极材料可以作为高性能超级电容器的阳极材料,电极的最高体积电容高达4.95 F cm-3,10万次循环充放电后,电容保持率仍高达93%。基于这种氮氧化钨纳米线阳极设计的非对称超级电容器的能量储存密度达到1.27 mWh cm-3。此外氮氧化钨纳米线还具有非常好的生物相容性,粗糙的多孔界面为微生物的附着提供了非常好的生存位点。这些特性也使得这种多孔氮氧化钨纳米线成为非常好的微生物燃料电池的阳极材料,基于这种氮氧化钨纳米线阳极组装的单室大肠杆菌型微生物电池最大输出功率为7.1 mW cm-3。更重要的是,鉴于这种新型的氮氧化钨纳米线可以同时作为非对称超级电容器和微生物燃料电池的阳极材料,他们还创新性地设计出以氮氧化钨纳米线为桥梁的超级电容器-微生物燃料电池集成装置,实现了新型能源的转换-存储一体化。他们设计的这种超级电容器-微生物燃料电池集成装置在微生物自充电500秒之后,可以在2 mA cm-2的恒定电流下稳定放电163秒。该工作设计制备的多孔氮氧化物纳米线,作为超级电容器和微生物燃料电池的阳极展现出优异的性能,也为两种装置的集合提供了连接点。这种新颖的器件设计思路有助于指导新型能源转化储存集成装置的设计,为新能源的开发提供了新思路。相关成果最近发表在Advanced Materials上。