Advanced Energy Materials:基于全天候自驱动化学能转换的蓝色能源收集

海洋是巨大的能源宝库,海洋能被誉为“蓝色能源”,有效利用蓝色能源是解决能源危机的有效方法之一。但由于海洋波浪运动的不规则频率和振幅,使丰富的蓝色能源无法得到充分利用。近年来,摩擦纳米发电机由于其结构简单、成本低、质量轻等诸多优点,得到广泛关注,特别是其能高效收集环境中低频机械能,为蓝色能源的收集利用提供了切实可行的策略。但如何将产生的电能传输合理利用,成为亟待解决的问题。考虑到海洋无遮挡吸收太阳能及取之不尽的水源,通过摩擦纳米发电机将无序的低频水流转化为直流输出,为基于半导体材料的光电化学电池提供外部偏压,可同时捕获蓝色能源与太阳能,将两种环境能源以氢气形式转化为化学能来实现能量的有效收集和利用。但由于昼夜交替,且天气的不可控制性,决定了借助光电催化难以实现持续的蓝色能源到化学能的转化,所以收集并存储额外的蓝色能源也是非常有必要的。

苏州大学功能纳米与软物质研究院孙旭辉教授、钟俊教授、和文震副研究员等人针对蓝色能源的收集和转化问题设计了一种齿轮驱动的单向加速摩擦纳米发电机,可以将低频、无序的机械运动转化为单向旋转高频运动,通过齿轮的二级传动,机械转速可提高25倍。在120 rpm转速下,经变压整流后,摩擦纳米发电机可输出7.1 V和1.5 mA的直流输出,为基于Ti-Fe2O3/FeNiOOH的光电化学电池提供外部偏压,将光电极捕获的太阳能有效地转化为氢能,其产氢速率可达4.65 μL/min。在光照不足的情况下,通过光敏电阻的调节自动切换到为锂电池充电的工作状态来存储额外的电能。通过电源管理电路,在10 min内可将锂离子电池的充电至2.75 V。值得说明的是,整个系统的能量转化效率为2.29%,其中氢能源的转化效率为1.06%,锂电池的电能存储效率为3.69%,成功地实现了自驱动全天候的蓝色能源能量收集和存储。

我们相信,本工作将会为蓝色能源等收集和利用提供一种新的思路,其完整的工作体系也将推动摩擦纳米发电机在蓝色能源应用领域更快地取得实际应用。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001041)上。