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北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学Nano Letters：基于摩擦纳米发电机的自驱动电化学系统的能量管理和反应优化
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北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学Nano Letters：基于摩擦纳米发电机的自驱动电化学系统的能量管理和反应优化

北京纳米能源与系统研究所&上海电力大学Nano Letters：基于摩擦纳米发电机的自驱动电化学系统的能量管理和反应优化 科学材料站
2021-06-26
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导读：该快报简要分析了常规自驱动电化学过程中TENG与电解池的关联，并提出了适用于低频机械能到化学能转化的能量管理和电化学反应优化策略


研究背景

使用能量收集装置转化环境中分散式和低品质的机械能，并以此来供给电化学反应，不仅有助于化工产业的节能减排，并且在某些特定的情景下具有一定的应用价值。
近年来，以摩擦纳米发电机（TENG）为直接电源为代表的自驱动电化学引起了科研人员的关注。起源于麦克斯韦位移电流的TENG在转化低频机械能时，相对于其他类型的能量转化装置更具有优势。
然而常规的自驱动电化学过程面临着能量转化效率低、反应速度慢等缺点，最明显的不足是TENG与电解池存在着严重的阻抗失配，另外还要求TENG具有较高的能量输出频率。以上因素限制了自驱动电化学的发展和实际应用。

文章简介

基于此，来自北京纳米能源与系统研究所和上海电力大学的科研团队合作，在国际知名期刊 Nano Letters上发表快报“Power Management and Reaction Optimization for a Self-Powered Electrochemical System Driven by a Triboelectric Nanogenerator”。
该快报简要分析了常规自驱动电化学过程中TENG与电解池的关联，并提出了适用于低频机械能到化学能转化的能量管理和电化学反应优化策略，从而设计了一个高级自驱动电化学系统，并以电催化氧气还原生成H2O2为探针反应，演示了该自驱动电化学系统的优越性。

本文要点

要点一：常规自驱动电化学过程的分析
作者结合直接整流后接触-分离模式TENG和电催化氧气还原生成H2O2反应，构筑了一个常规的自驱动电化学过程。
通过调变电解池内电解质的浓度，发现TENG在低频率（1 Hz）工作时，向电解池内输入的电流强度基本上与TENG的短路电流相当，与电解质溶液的浓度无关；而由于电解池阻抗与TENG内阻抗的匹配失衡，向电解池供给的电压，在高浓度时峰值仅有几个毫伏，此时是不能驱动氧还原反应的。

要点二：自驱动电化学系统的能量管理和反应优化
由于TENG的输出是具有脉冲性的，且对电解池的输入有限，需要使用能量存储元件将脉冲形式的电能转化为满足电化学反应的稳定输出。
作者首先使用电容器模拟并获得了最佳的电催化氧还原反应参数；为了提升TENG的能量输出功率，使用基于倍压电路的电荷激励电路将低频工作时TENG的输出能量存储至后端的电容器，待电容器电压满足最佳氧还原条件时将其存储的电能释放，从而实现间歇式的电催化H2O2生成。

要点三：自驱动电化学系统的应用
设计了一个包含机械能收集、能量管理、反应控制和电解池等模块的自驱动电化学系统。与常规的自驱动电化学惰性的氧还原性能相比，所设计的自驱动电化学系统在相同的外部条件（1 Hz机械触发）和内部化学环境下具有约24.6%的电流效率。
该系统的优越性有助于其在电化学领域的发展，尤其是偏远地域的环境修复、精细化学品生产和新能源领域的应用。

文章链接

Power Management and Reaction Optimization for a Self-Powered Electrochemical System Driven by a Triboelectric Nanogenerator
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01152


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