在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最要研發(fā)太陽能的使用。我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所博士生張鶴獨(dú)自坐在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前，通過觀察電化學(xué)工作站數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況，不斷手動(dòng)調(diào)整裝置的連接模式。這是他近段時(shí)間以來工作日常的縮影。

有時(shí)候循環(huán)測(cè)試可能要十幾個(gè)小時(shí)，操作者必須寸步不離地守在實(shí)驗(yàn)裝置前。他告訴《我國(guó)科學(xué)報(bào)》。

最近，張鶴終于得以短暫地放松。在我國(guó)科學(xué)院院士董紹俊的指導(dǎo)下，他所在的團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建基于水/氧循環(huán)的生物光電化學(xué)模型，成功實(shí)現(xiàn)了集成化體系下太陽能的持續(xù)轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)。相關(guān)成果日前發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。

不間斷的太陽能

地球自轉(zhuǎn)，引起了自然界中白晝與黑夜的交替變化，這導(dǎo)致了區(qū)域性的陽光照射是間歇的、非持續(xù)的。

關(guān)于傳統(tǒng)光伏器件而言，要想獲得源源不斷的電力輸出，持續(xù)不斷的光照是裝置正常運(yùn)行的最基本條件。然而，受區(qū)域性光照間歇的影響，光伏器件中的能源轉(zhuǎn)換(光能到電能)是一個(gè)非持續(xù)性過程。這在很大程度上限制了太陽能的直接利用，使其不能滿足實(shí)際生出現(xiàn)活中日以繼夜的電力需求。

為解決這一問題，科學(xué)家們提出了相應(yīng)的能源儲(chǔ)備戰(zhàn)略，通過將光電化學(xué)體系與二次電池或液流電池體系連用，實(shí)現(xiàn)了太陽能的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)。

但是，多體系連用存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高、能量傳輸損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)。論文第一作者張鶴分析，多體系連用一方面要考慮體系與體系間的匹配問題，另一方面能量在傳輸轉(zhuǎn)移過程中容易以熱能形式出現(xiàn)不可防止的損耗。這樣一來，既新增了設(shè)備成本，也不利于存儲(chǔ)能源的有效利用。

2018年，該團(tuán)隊(duì)通過將n型半導(dǎo)體光陽極與多銅氧化酶生物陰極相匹配，成功構(gòu)建了一個(gè)基于水/氧循環(huán)的生物光電化學(xué)池，實(shí)現(xiàn)在體系水/氧循環(huán)狀態(tài)下從光能與化學(xué)能到電能的持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。

不過，與傳統(tǒng)光電化學(xué)體系相同，該體系的運(yùn)行完全受控于外界光照情況，亟須進(jìn)一步修正。

我們團(tuán)隊(duì)在此前研究工作的基礎(chǔ)上，通過引入儲(chǔ)能模塊(聚吡咯電容電極)，建立起一個(gè)集成化的生物光電化學(xué)模型體系。在體系中水/氧自循環(huán)的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了光照與暗場(chǎng)條件下源源不斷的電力輸出。張鶴說。

把太陽能存儲(chǔ)起來

針對(duì)電池體系的研究，該團(tuán)隊(duì)從考察單個(gè)電極的電化學(xué)行為入手，從單個(gè)電極到單個(gè)電池再到整個(gè)體系，由簡(jiǎn)及繁地對(duì)所構(gòu)建模型體系的各個(gè)組分及整體性能進(jìn)行考察。

首先遇到的難點(diǎn)就是儲(chǔ)能模塊的選擇。

論文作者之一、我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所博士生黃亮告訴《我國(guó)科學(xué)報(bào)》，為確保固態(tài)電容電極的正常蓄能，一方面其充/放電電勢(shì)窗口需介于光生物燃料動(dòng)力電池兩電極電勢(shì)之間;另一方面需確保該電極在中性電化學(xué)體系中具備較高且穩(wěn)定的電容量。經(jīng)過多方面優(yōu)化選擇與測(cè)試，我們選擇聚吡咯電容電極作為儲(chǔ)能模塊。

果不其然，聚吡咯電容電極扮演的雙重角色實(shí)現(xiàn)了光電化學(xué)體系與電池體系的集成化連用。

光照條件下，在光電化學(xué)體系中，聚吡咯電容電極作為陰極接受來自陽極出現(xiàn)的光電子，并憑借自身的電容性能將其存儲(chǔ)起來，實(shí)現(xiàn)光能到電能、化學(xué)能的轉(zhuǎn)化;暗場(chǎng)條件下，在電池體系中聚吡咯電容電極又作為陽極將存儲(chǔ)的光電子傳輸?shù)缴镪帢O，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。

第二大難點(diǎn)在于體系蓄放過程中各個(gè)電極間電位的匹配問題。

要確定電容電極的充/放電電位。論文作者之一、我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所副研究員翟俊峰告訴《我國(guó)科學(xué)報(bào)》，在光電化學(xué)體系中，陽極光催化水氧化(OER)電位要低于-0.1V才能有效地實(shí)現(xiàn)光生電荷在電容電極上的存儲(chǔ)，因此二氧化鈦電極可以作為合適的光催化材料應(yīng)用在該體系中。

而在生物燃料動(dòng)力電池體系中，陰極催化氧還原電位要高于0.3V才能有效地實(shí)現(xiàn)光生電荷從電容電極上的釋放。因此，團(tuán)隊(duì)選擇膽紅素氧化酶作為合適的生物催化材料，應(yīng)用在該體系中。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，該概念模型在光照與暗場(chǎng)條件下分別獲得0.340.01和0.190.02mWcm-2的最大功率密度輸出，并且展現(xiàn)出穩(wěn)定的太陽能蓄放循環(huán)性能。此外，通過改變儲(chǔ)能模塊(聚吡咯電容電極)的電容量，體系充/放電時(shí)間可得到有效調(diào)控。

助力綠色新能源發(fā)展

張鶴認(rèn)為，該模型體系的建立有望實(shí)現(xiàn)太陽能蓄放體系向簡(jiǎn)單化、小型化與低成本化發(fā)展，并且為環(huán)境友好型綠色新能源的發(fā)展供應(yīng)了一條新的研究思路。

通過體系中簡(jiǎn)單的水/氧循環(huán)，太陽能便可以在這個(gè)集成化器件中得到持續(xù)轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與釋放，實(shí)現(xiàn)光照與暗場(chǎng)條件下源源不斷的電力輸出，防止了區(qū)域光照間歇性所帶來的太陽能轉(zhuǎn)化不持續(xù)問題。張鶴介紹，這也是該研究的創(chuàng)新之處。

他相信，在相關(guān)工業(yè)技術(shù)支持下，該模型有望在新興綠色能源器件商業(yè)化應(yīng)用中得到發(fā)展。比如，通過電池串聯(lián)的方式，可以實(shí)現(xiàn)小型能源器件的商業(yè)化應(yīng)用，來滿足日常生活中手機(jī)充電設(shè)備、家用備用電源以及小型路燈的使用。

下一步，團(tuán)隊(duì)將以該研究工作為基礎(chǔ)模型，針對(duì)實(shí)際生出現(xiàn)活中的一些具體問題，進(jìn)行體系改進(jìn)與優(yōu)化，以擴(kuò)大該模型的相關(guān)應(yīng)用前景。目前太陽能還未能更好被人類利用，要科研人員不斷努力，研究出更高效地產(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。