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北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学AEM：基于摩擦纳米发电机的蓝色能源到绿色能源转化的自驱动电化学系统

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北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学AEM：基于摩擦纳米发电机的蓝色能源到绿色能源转化的自驱动电化学系统

北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学AEM：基于摩擦纳米发电机的蓝色能源到绿色能源转化的自驱动电化学系统

科学材料站

2021-11-17

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导读：本文提出了一种自驱动的电化学系统(SPECS)，通过电化学转化的方式将以海洋波浪能为代表的蓝色能源转化为绿色燃料

研究背景

实现碳中和的一种策略是使用低碳或无碳燃料作为能源。氢能作为一种燃烧后只能产生水的清洁能源，是促进碳中和的理想资源。工业上氢气生产是由化石燃料重整所主导的，该技术在成本上比水电解更具优势。

然而，前者是基于煤炭、石油和天然气等不可再生资源的，从长远来看是不具有持续性的。并且以上资源重整后如果作为能源使用，就极大程度上降低了其作为大部分日用品和化学品生产原料的使用价值。要实现可持续和低成本的电解水析氢，就急切需要降低占据成本比重较高的持续电力消耗。

本文提出了一种基于摩擦纳米发电机（TENGs）的自驱动电化学系统(SPECS)，无需外部电源，通过捕获海洋波浪能，经由电化学转换的途径实现氢气的可持续生产，助力绿色氢燃料的大规模推广和碳中和目标的实现。

文章简介

在这里，来自北京纳米能源与系统研究所与上海电力大学的科研团队合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Blue Energy for Green Hydrogen Fuel: A Self-Powered Electrochemical Conversion System Driven by Triboelectric Nanogenerators”的研究论文。

在这项工作中，提出了一种自驱动的电化学系统(SPECS)，通过电化学转化的方式将以海洋波浪能为代表的蓝色能源转化为绿色燃料。该系统主要由摩擦纳米发电机(TENGs)装置和电解装置组成，TENGs阵列将超低频率的海洋波浪能转化为电能，通过能量管理后向末端的电解池供能，以实现电解装置内海水的分解析氢。

图1. 基于摩擦电纳米发电机和电解池的自驱动电化学系统可将海浪能量持续地转化为绿色氢燃料

本文要点

要点一：软接触模式摩擦纳米发电机阵列的制备与性能

软接触模式摩擦纳米发电机（SCC-TENG）由于软起电材料的应用及在结构和材料功能上解耦了摩擦起电和静电感应，因而不仅在保持更高的介电材料表面电荷密度的同时，更降低了器件正常运行时的驱动力强度和频率、提高器件的耐久性，十分适用于振动频率极低的海洋波浪能的收集。

这里采用3D打印的SCC-TENG作为自驱动电化学系统的直接电源，通过器件的结构优化，将其对波浪的最佳响应频率降低至0.5 Hz，该频率基本与实际的海洋波浪相匹配。单个器件的峰值功率可达12.6 mW，在一个操作周期（2s）内，可以实现27.2 μC的转移电荷量。

要点二：自驱动电化学系统的构筑

本系统以振动频率为0.5 Hz的水波为驱动力，采用两个并联连接的通过电能管理后的SCC-TENGs作为直接电源，以模拟的海水为电解槽内电解质溶液，来进行绿色氢燃料的生产。

由于TENG与电解池的阻抗失配，直接整流后的SCC-TENG向电解池提供的电压远远低于理论上水分解所需的最小值。所以采用22 mF的超级电容器为能量存储单元，待其两端电压达到最佳电解条件后，再导通后端的电解池，以间歇方式来电解模拟的海水。

要点三：自驱动电化学系统内析氢反应的性能

经过对SCC-TENGs的能量管理和电解海水反应的优化，在0.5 Hz水波的驱动下，此自驱动电化学系统析出氢气的速率可达814.8 μL m–2 d–1，此时的法拉第效率为69.1%，1能量转化效率为44.3%。此外，系统内电解池的副产物次氯酸盐也具有附加值，在环境治理方面具有一定的应用。

文章链接

Blue Energy for Green Hydrogen Fuel: A Self-Powered Electrochemical Conversion System Driven by Triboelectric Nanogenerators

https://doi.org/10.1002/aenm.202103143

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