有效提升太阳能自充电液流电池开路电压的新型双光电极体系

发展清洁的可再生能源,比如太阳能,是解决21世纪能源短缺和环境污染的根本和长期的方法。但是,太阳能是间歇性的而且无法按需调控,因此大规模的能量储存对于太阳能的高效利用是不可或缺的。结合光电化学转化技术和氧化还原液流电池技术,一体式太阳能自充电水系液流电池能够非常有效地实现光能的转化,储存,分散功能的一体化。光照情况下,电解液在光电极界面发生氧化还原反应,从而实现了液流电池的自充电。充电结束后,储存的化学能能够在需要的时候直接放电。光充电水系液流电池不仅可以实现高效的能量转换和储存,而且同时还具备低成本,大规模,安全环保的优势。

针对高性能光充电电池的开发,电池的开路电压过低一直是制约其发展的关键因素之一。目前的光充电液流电池的开路电压几乎都低于0.8 V, 还远没有达到现阶段水系液流电池约1.2 V左右的开路电压值。这当中最重要的一个原因在于之前的光电极体系无法提供足够大的光电压。因此开发新型的光电极材料应用于这一领域就显得尤为重要。在此基础上,所选用的光电极体系还必须能够实现光能的高效率转换。

AM-wangdunwei

近期,美国波士顿学院化学系的王敦伟教授课题组与密歇根大学的Zetian Mi教授课题组合作,针对光电压不足的问题,引入了以五氮化三钽(Ta3N5)为光阳极和镀有氮化镓的硅为光阴极(GaN/Si)的双光电极体系。这一双光电极体系能够产生大于1.4 V的光电压,为目前同类型装置文献报道的最高值。该工作首次成功地实现了对1.2 V开路电压碱性液流电池的高效光自主充电。更重要的是,该双光电极体系的理论光化学转换效率还可高达3.0%,高于大多数其他的光电化学转换装置的转化效率。这主要是由于两个光电极各自对电解液电对都具有很高的活性,而且还能有效地抑制水分解的副反应。实验证明,光充电结束后的电池可以通过碳纸电极实现放电功能。研究者相信,此项研究将会为未来的高性能的太阳能自充电液流电池的设计和研究提供新思路,有助于推动这一技术的实际应用。相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700312)上。