多酸科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在全天候能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
光伏發(fā)電是當(dāng)今世界的尖端技術(shù)，將為全人類解決能源危機(jī)、環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展等三大世界難題。但是，光伏器件的使用會受到天氣條件的影響，如雨天、夜晚環(huán)境會嚴(yán)重削弱電池的光電轉(zhuǎn)換性能。太陽能的間歇性和不可預(yù)測性是光伏裝置作為可靠電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)電能輸出的重大挑戰(zhàn)，因此，從環(huán)境中收集替代能源來彌補(bǔ)太陽能的不足是當(dāng)務(wù)之急。針對此問題，目前已經(jīng)開發(fā)出了多種能源轉(zhuǎn)換裝置來捕獲自然環(huán)境中的風(fēng)、雨、機(jī)械振動能等，但是這些自然環(huán)境能源到電能的轉(zhuǎn)換大多數(shù)都是通過不同的能源捕獲系統(tǒng)分別來完成的，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、水力發(fā)電機(jī)或水蒸氣基能源系統(tǒng)等，這些僅能捕獲一種環(huán)境能源的專用能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在使用中仍然存在局限性。雖然由不同類型能源捕獲器組成的雜化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩種或多種能源的同時轉(zhuǎn)換，但不同能源捕獲器的結(jié)合會增加生產(chǎn)成本、操作和維護(hù)的復(fù)雜性。因此，迫切需要開發(fā)一種低成本、更易于操作的器件，為同時從環(huán)境中捕獲多種能量提供一種實(shí)用的方法。
當(dāng)自然環(huán)境能源（光、風(fēng)、雨）以任何一種形式存在或全部存在時，要想實(shí)現(xiàn)單獨(dú)/同時收集這些能量，所用的能源捕獲器需要具備一些特性，包括寬的光譜吸收，高的穩(wěn)定性，能夠接受或給出大量電子以及能夠進(jìn)行快速的電子轉(zhuǎn)移等。鑒于多金屬氧酸鹽(POMs)可以作為電子傳輸媒介加速光生電子的轉(zhuǎn)移，同時具有氧化還原可逆性，良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性等，因此，POMs可能會成為實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境能源同時到電能轉(zhuǎn)換的理想功能材料。最近，我院陳維林教授，王新龍教授和李陽光教授，以及蘇州大學(xué)的康振輝教授（共同通訊作者）在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104349，IF=16.602）上聯(lián)合發(fā)表了題為“Polyoxometalate film simultaneously converts multiple low-value all-weather environmental energy to electricity”的文章（謹(jǐn)以此文紀(jì)念王恩波教授在中國多酸領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)）。
本文報道了Mo72Cr30/乙基纖維素薄膜-金屬電極（鉑、鎳、銅、鈦、鋁）能夠單獨(dú)或同時地將自然環(huán)境中的太陽光、風(fēng)和雨轉(zhuǎn)換為電能。其中，采用鉑作為基底電極，當(dāng)Mo72Cr30的負(fù)載量為71.4%時，該薄膜能夠顯示出最優(yōu)異的輸出性能：在AM 1.5 G標(biāo)準(zhǔn)太陽光下的光響應(yīng)率為176.3 μA W-1，在10 m s-1風(fēng)速下的平均輸出功率為4.48 μW m-2，在7 mL min-1雨滴滴速下的平均輸出功率為0.25 μW m-2；當(dāng)薄膜同時由兩種能源驅(qū)動時，可以獲得更好的輸出性能：當(dāng)薄膜同時被太陽光和風(fēng)驅(qū)動時，輸出功率為6.32 μW m-2，當(dāng)薄膜同時被太陽光和雨滴驅(qū)動時，輸出功率為0.54 μW m-2，當(dāng)薄膜同時被風(fēng)和雨滴驅(qū)動時，輸出功率為8.71 μW m-2；最重要的是，Mo72Cr30/乙基纖維素薄膜可以實(shí)現(xiàn)同時將太陽光、風(fēng)和雨轉(zhuǎn)換為電能，輸出功率可以達(dá)到17.7 μW m-2，與單獨(dú)風(fēng)和雨環(huán)境條件下的輸出性能相比，分別提高了4倍和70倍。此外，該薄膜可以在非常低的外界負(fù)載下獲得最大功率密度，證明了這種POMs基器件有作為功率輸出器件的巨大潛力。本工作為全天候能源轉(zhuǎn)換器件的構(gòu)筑和基礎(chǔ)研究開辟了新的前景。
T. Wang, T. Ji, W. L. Chen*, X. H. Li, W. Guan, Y. Geng, X. L. Wang*, Y. G. Li*, Z. H. Kang*, Nano Energy, 2020, 68, 104349.
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