底封面文章:混合收集机械能与太阳能的自驱动制氢系统

Hybridized Mechanical and Solar Energy-Driven Self-Powered Hydrogen Production

Xuelian Wei, Zhen Wen*, YinaLiu, Ningning Zhai, Aimin Wei, Kun Feng, Guotao Yuan, Jun Zhong, Yinghuai Qiang*, Xuhui Sun*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:88

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00422-4

本文亮点

1. 设计制备转盘式摩擦纳米发电机,可从水流中获取机械能,并作为可持续电源,为电化学过程提供外部偏压。
2. 制备的WO3/BiVO4异质结电极可作为一种良好的光电阳极材料应用于光电化学制氢体系内。
3. 整个系统可以在光照条件下将机械能和光能同时转化为氢能,以实现能量转换目的。
研究背景

基于半导体纳米材料的光电化学分解水制氢技术可通过捕获太阳能转变为氢能。然而,一些半导体光催化材料由于能带位置不合适而不能直接还原水产氢,往往需要施加外加电场来实现制氢过程,极大地限制了其在实际生活中的应用。摩擦纳米发电机可以有效地收集生活中各种类型的机械能并输出电能,通过一些简单的电路变换就可以为不同电化学过程提供所需的偏压条件。将摩擦纳米发电机与光电化学分解水制氢系统结合起来,便可同时收集太阳能和机械能并转化为氢能,为实现能量的高效转化提供了可行的方案。
内容简介

严重的能源危机是人类必须面对的一个紧迫的全球性问题,氢能源作为一种极具前景的清洁能源而备受青睐。光电化学分解水制氢技术逐渐发展成为一种可以捕获太阳能并以氢气形式将其转化为化学能的热门研究领域。然而,在实际应用中,如何给基于半导体材料的光电分解水系统提供所需的额外电场仍然是一个巨大的挑战。苏州大学功能纳米与软物质研究院孙旭辉教授团队与中国矿业大学材料与物理学院强颖怀教授团队合作,在本文中报道了一种摩擦纳米发电机与光电化学分解水制氢技术相结合的自驱动制氢系统,在不需要人为地施加外部偏压的情况下,可将环境中的机械能和太阳能同时收集并转化为氢能。在160 rpm转速时,光照下的析氢速率可达7.27 μL/min,能量转换效率可达2.61%。

图文导读

光电阳极材料的物性表征

采用水浴法与电沉积法相结合的制备方式合成了一种WO3/BiVO4异质结光电阳极。分析图1(a-d),基本可以推测出所制备的新样品由WO3和BiVO4组成且成分较纯,而从高分辨透射电镜图中(1e)则明显看到BiVO4纳米颗粒在WO3表面发生了高效地沉积,进一步证实了WO3/BiVO4异质结的成功构建。如图1g所示为WO3和BiVO4的能带结构示意图。从图中可以看到,BiVO4价带的电极电势明显高于WO3价带的电极电势,这有利于光生空穴从WO3表面向BiVO4表面的转移和传递,从而减少光生电子-空穴对的复合,使得WO3/BiVO4异质结的性能得到提升。

图1. (a)WO3,BiVO4 和WO3/BiVO4的XRD图;(b)WO3和(c)WO3/BiVO4的SEM图;WO3/BiVO4的(d)SEM截面图和(e)HRTEM图;(f)WO3,BiVO4 和WO3/BiVO4的UV光谱图;(g)能带结构示意图;(h)WO3和WO3/BiVO4样品在W 4f 的XPS谱图。

II 光电阳极材料的光电化学性能

通过莫特-肖特基曲线计算得到BiVO4和WO3/BiVO4的载流子浓度,分别为7.30×1019 cm-3和6.81×1023 cm-3。相比可知,WO3/BiVO4异质结光阳极具有更高的载流子浓度,这也是其性能提高的部分原因(图2a)。与WO3和BiVO4相比,WO3/BiVO4异质结光电阳极具有更小的阻抗环半径,这进一步确定了WO3/BiVO4异质结对光电催化性能的提高有显著的促进作用(图2b)。如图2c所示,在1.23 V vs. RHE时,WO3/BiVO4异质结光电阳极的光电流密度升高至5.24 mA/cm2,是单个WO3光电阳极光电流密度的七倍,同时也是单个BiVO4光电阳极的两倍多。通过稳定性测试验证了该样品具有良好的光电化学稳定性(图2d)。

图2. WO3,BiVO4 和WO3/BiVO4的(a)Mott-schottky曲线和(b)EIS Nyquist图;(c)WO3,BiVO4 和WO3/BiVO4电极的 J-V 曲线,插图为电压在 0.8-1.8 V vs. RHE 间的放大 J-V 图;(d)WO3/BiVO4电极的光化学稳定性测试,电压为1.23V vs. RHE。

III 摩擦纳米发电机的工作机理及输出性能

一个自制的转盘式摩擦纳米发电机(rotatory disc-shapedTENG, RD-TENG)被用来为该自驱动制氢系统提供外部偏压(图3a-b)。该RD-TENG的工作机理是基于独立层模式的,主要取决于电极间电子的交替流动以及摩擦起电和静电感应的耦合效应(图3c)。图3(d-e)分别展示了60-140 rpm转速范围内RD-TENG的开路电压(Voc)及短路电流(Isc)。在不同转速下,Voc始终保持在230 V左右,Isc则随转速的增加而增大,在转速为140 rpm时,峰值电流达到0.12 mA。变压后,RD-TENG的VocIsc均随着转速的增加而增加,当转速达到140 rpm时,峰值电压增加到11 V,相应的峰值电流高达1.6 mA。

图3. RD-TENG(a)结构示意图(插图为PTFE薄膜的SEM图)、(b)实物照片和(c)工作机理图;(d)变压前RD-TENG的开路电压(Voc)和 短路电流(Isc);(e)变压后RD-TENG的VocIsc,转速范围为60-140 rpm。

IV 自驱动光电化学制氢系统的输出及演示

实现半导体材料光电化学分解水产氢需要施加足够的外部偏压,而摩擦纳米发电恰好可以较容易地输出所需要的偏压。因此,本文将RD-TENG与基于上述WO3/BiVO4异质结光电阳极的光电分解水化学池连接到一起,成功地构建了一种自驱动光电化学产氢系统并测试了其输出性能,如图4 所示。利用变压器对所制备的RD-TENG的输出进行降压升流变换,然后经过全波整流桥,输出所需直流电。RD-TENG在旋转过程中,由于电解作用,在Pt电极表面发生光电催化反应,铂丝电极周围出现明显且连续的氢气泡,最终通过氢气收集管收集起来。如图4f所示,产氢速率随转速的增加逐渐增大,特别地,当转速达到160 rpm时,光照条件下的析氢速率达到7.27 μL/min,对应的能量转换效率为2.61%。由于峰值输出特性,RD-TENG的电压输出并不总是保持在峰值,在低电压部分,光电解水起主导作用,光照作用不容忽视。该系统能够成功地将太阳能和机械能同时收集起来并转化为氢能形式的化学能储存起来,为能量转化和收集提供了一个良好的策略。

图4. (a)自驱动光电化学产氢系统的结构示意图;(b)不同转速下黑暗或光照条件下的电流变化;(c)黑暗或光照条件下峰值电压-峰值电流曲线,插图为不同转速下黑暗或光照条件下的峰值电流变化;(d,e)氢气收集管在不同时间的光学图像和实物照片;(f)不同转速下光照和黑暗条件下的析氢速率。

作者简介

魏雪莲

文第一作者

硕士研究生

中国矿业大学 材料与物理学院

主要研究领域
师从强颖怀教授,主要研究方向为光电解水;转盘式摩擦纳米发电机的应用。

主要研究成果

迄今在Nano-micro Letters期刊上以第一作者发表SCI学术论文一篇、在Nano Energy期刊上发表SCI学术论文一篇 。

▍Email: xlwei@cumt.edu.cn

强颖怀

本文通讯作者

教授,博士生导师

中国矿业大学材料与物理学院

主要研究领域
主要从事新能源材料、材料表面工程、矿物材料、复合材料领域的教学和研究。

主要研究成果

主持及参加了10余项国家、省部级项目,获省级二、三等奖各一项。发表SCI收录论文100余篇,获授权发明专利7项。

▍Email: yhqiang@cumt.edu.cn

文震

本文通讯作者

副研究员,硕士生导师

苏州大学功能纳米与软物质研究院

主要研究领域

①柔性摩擦纳米发电机关键材料的制备及性能研究;②基于摩擦纳米发电机的自供电能源系统研究;③基于摩擦纳米发电机的自驱动传感技术研究;④摩擦纳米发电机的高电压输出应用研究。

主要研究成果

现已在SCI收录国际期刊上发表论文70余篇,他引超过4500次,并已获授权发明专利20余项。目前担任国际杂志Electronics Letters副主编。

▍Email: wenzhen2011@suda.edu.cn

孙旭辉

本文通讯作者

特聘教授,博士生导师

苏州大学功能纳米与软物质研究院

主要研究领域
研究团队目前主要致力于纳米材料和纳米功能器件及其在电子信息、新能源和化学传感器方面的研究,以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用研究。

主要研究成果

现已在SCI收录国际期刊上发表论文190余篇,他引5300余次,H-index 42,获得美国专利3项,PCT专利2项,申请中国专利80余项。担任国际杂志IEEETransaction on Nanotechnology副主编,Frontiers in Materials编委会委员,是国际电子电工学会(IEEE)高级会员、国际材料学会、国际X射线吸收谱学会会员,以及国家同步辐射实验室用户委员会副主任、上海光源用户委员会委员,国家纳米标准委员会苏州工作组副组长。

▍Email: xhsun@suda.edu.cn
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

E-mail:editorial_office@nmletters.org

Tel:86-21-34207624

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