中國(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(guò)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(lái)工作日常的縮影。
“有時(shí)候循環(huán)測(cè)試可能需要十幾個(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《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
最近，張鶴終于得以短暫地放松。在中國(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(guò)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(yáng)能的連續(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(yáng)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(yáng)光照射是間歇的、非連續(xù)的。
對(duì)于傳統(tǒng)光伏器件而言，要想獲得源源不斷的電力輸出，連續(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)非連續(xù)性過(guò)程。這在很大程度上限制了太陽(yáng)能的直接利用，使其不能滿足實(shí)際生產(chǎn)生活中日以繼夜的電力需求。
為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們提出了相應(yīng)的能源儲(chǔ)備戰(zhàn)略，通過(guò)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(yáng)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，多體系連用一方面需要考慮體系與體系間的匹配問(wèn)題，另一方面能量在傳輸轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易以熱能形式出現(xiàn)不可避免的損耗。這樣一來(lái)，既增加了設(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(guò)將n—型半導(dǎo)體光陽(yáng)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)能到電能的連續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。
不過(guò)，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(guò)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(shuō)。
把太陽(yáng)能存儲(chǔ)起來(lái)
針對(duì)鋰電池等體系的研究，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。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所博士生黃亮說(shuō)，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(guò)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(lái)自陽(yáng)極產(chǎn)生的光電子，并憑借自身的電容性能將其存儲(chǔ)起來(lái)，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(yáng)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(guò)程中各個(gè)電極間電位的匹配問(wèn)題。
“需要確定電容電極的充/放電電位。”論文作者之一、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所副研究員翟俊峰說(shuō)到，在光電化學(xué)體系中，陽(yáng)極光催化水氧化（OER）電位需要低于- 0.1 V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。
而在生物燃料電池體系中，陰極催化氧還原電位需要高于0.3 V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0.34 ± 0.01 和 0.19 ± 0.02 mW cm-2的最大功率密度輸出，并且展現(xiàn)出穩(wěn)定的太陽(yáng)能蓄放循環(huán)性能。此外，通過(guò)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(yáng)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)展提供了一條新的研究思路。
“通過(guò)體系中簡(jiǎn)單的水/氧循環(huán)，太陽(yáng)能便可以在這個(gè)集成化器件中得到連續(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，避免了區(qū)域光照間歇性所帶來(lái)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化不連續(xù)問(wèn)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(guò)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(lái)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)際生產(chǎn)生活中的一些具體問(wèn)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。