王中林&王宁&曹霞Adv. Energy Mater.：通过摩擦纳米发电机充电锂离子电池促进光电化学水分解

【引言】

在过去的几十年中，光电化学（PEC）发电是电能转换和储存电能的重要趋势。这一趋势发展不仅是由于高效光电极材料和催化剂方面的材料科学取得进步， 还和混合能量转换技术的设计优化有关。自从20世纪70年代以来，PEC水分解是有效利用水和太阳能等可再生资源的最有潜力的方法之一 。近几十年来，太阳能-氢能（STH）转换效率不断提高，光电效率理论上可以高达90％-95％。然而，目前氢生产技术仍然离实际应用很远，主要是由于缺乏合适的电极材料以及理想的能量学。而作为能量转换的创新思路，摩擦纳米发电机（TENG）特别适用于从低频运动和海浪中收集机械能，这一特点使其适用于海水淡化和水分解。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所、佐治亚理工学院王中林院士和北京滚球体育 大学王宁教授、曹霞教授（共同通讯作者）在Adv. Energy Mater.发表了题为“Boosting Photoelectrochemical Water Splitting by TENG-Charged Li-Ion Battery ”的文章。这篇文章研究了在摩擦纳米发电机（TENG）增强的PEC电池中外部环境的机械能是如何引起水分裂的。在这里，一个可变换模式的TENG收集机械能，并将其转化为电流，从而通过充电的锂离子电池来促进PEC水分解。 Au纳米颗粒沉积在TiO₂纳米阵列上，进而可通过表面等离子共振效应将可用光谱扩展到可见光部分，其在AM 1.5G照明下产生1.32mA·cm^-2的光电流密度，在可见光下偏压为0.5V时电流密度为0.12mA·m^-2。TENG充电电池通过耦合电解和增强电子-空穴分离效率可提高水分离性能。混合电池显示出超过9mA的瞬时电流，工作电极面积为0.3cm²，表明一种可同时将太阳辐射和机械能转化为氢的简单且有效的途径。

【图文导读】

图一：TENG-PEC混合电池的基本原理以及TENG的典型设计

(a) TENG-PEC混合电池的基本原理。

(b) 基于n型半导体的PEC水分解单元。

(c) 可使聚四氟乙烯（PTFE）和氧化铟锡（ITO）之间接触或分离的TENG的典型设计。使用感应耦合等离子体（ICP）蚀刻产生凹面纳米结构，这将增加TENG的接触面积和输出性能，如图(d)所示。

(d) PTFE摩擦层表面的SEM图像。

图二：Au修饰的TiO2纳米阵列的表征结果

(a) 在FTO底物上生长的TiO₂纳米阵列的代表性SEM图像。

(b) 制备的TiO₂的拉曼光谱。

(c-d) Au-修饰的TiO₂纳米阵列的XPS光谱。

(e) Au修饰TiO₂的高分辨率TEM图像。

(f) 通过能谱仪(EDS)元素分布图显示TiO₂纳米阵列表面上Au颗粒。

图三：在黑暗和照明条件下，TiO2和Au修饰TiO2纳米阵列的性能比较

(a )在黑暗和照明条件下，在1 m KOH溶液中裸露和Au修饰的TiO2纳米阵列的线性扫描伏安图。

(b) 具有0和0.5V偏压的Au修饰TiO₂的电流密度-时间曲线。

(c) 具有不同偏压的Au修饰的TiO₂的光电流。

(d) 作为应用电位的光转换效率。

(e-f) 在黑暗和光照下的Au修饰TiO₂的电化学阻抗谱的奈奎斯特图。

图四：摩擦纳米发电机(TENG)的性能表征

(a-c) 由直线电动机驱动的TENG的短路电流，开路电压和转移电荷。

(d) 可变负载电阻下的输出电流和功率。

图五：TENG-PEC混合电池的性能表征

(a) 整流式TENG充电锂离子电池的充电过程。

(b) 光电流偏置电源的影响。

(c) 不同电压下TENG充电锂离子电池混合PEC电池的瞬时放电过程。

(d) 由TENG-PEC混合电池驱动的水分解过程的图像。

【小结】

研究人员开发了一种新型的TENG-PEC混合电池，通过耦合电解和光电化学效应有效实现水分解。 由TENG充电电池提供的电场将光电流提升到1.6 mA·cm^-2，而工作电极面积为0.3 cm²时瞬时电流可以达到9 mA以上。 这些结果表明，电场不仅在电解中起关键作用，而且提高了太阳能利用效率。 此外，外部偏置电源通常意味着PEC电池的消耗降低了实际的能量转换效率。 因此，这种TENG-PEC混合电池是将机械能和太阳能转化为化学能的简单有效的方法。

文献链接：Boosting Photoelectrochemical Water Splitting by TENG-Charged Li-Ion Battery（Adv. Energy Mater.2017，DOI: 10.1002/aenm.201700124 ）

本文由材料人编辑部稻壳小王子编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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