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摩擦纳米发电机自驱动氧化铁光电解水制氢

摩擦纳米发电机自驱动氧化铁光电解水制氢

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【研究背景】

在众多清洁能源中,氢能作为一种热值高、燃烧产物无污染的能源备受青睐,成为替代传统化石能源的理想能源之一。然而,传统制氢方式成本高昂,污染环境,催促科研工作者寻求新型环保的制氢方法。自实现通过光催化半导体材料作为电极实现光电分解水制氢以来,基于各种光催化半导体材料光电化学池的研究喷薄而出。又因为太阳能是一种清洁无污染、取之不尽的能源,且水资源在地球上分布广泛、储量丰富,使得通过太阳能制氢成为获取氢能的最佳方式之一。其中用于光电解水的光催化半导体材料例如α型氧化铁,具有禁带宽度窄,可以吸收大部分太阳光并且储量丰富价格低廉的优点,但是也因为氧化铁导带位置太低不可以直接光解水产生氢气,限制了其在实际生活中的应用,通常需要施加外加电场来达到全解水的目的,但这也意味着需要消耗更多的电能。

摩擦纳米发电机自驱动氧化铁光电解水制氢

【成果简介】

近日,苏州大学功能纳米与软物质研究院科研人员在ACS Nano上发表了一篇题为“Triboelectric Nanogenerator Driven Self-Powered Photoelectrochemical Water Splitting Based on Hematite Photoanodes”的文章。文中巧妙地将摩擦纳米发电机与氧化铁光解水系统结合起来,并成功地实现了分解水制氢的目标。作为一种可以将生活中各类机械能转化为电能的器件,摩擦纳米发电机产生的电场应用于氧化铁光电解水系统,不仅克服了氧化铁自身的缺点,还成功地将机械能与光能同时转化为氢能储存起来。硕士研究生魏爱民和谢欣凯为论文的共同第一作者,文震博士、钟俊教授和孙旭辉教授为共同通讯作者

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【图文解说】

摩擦纳米发电机自驱动氧化铁光电解水制氢

图1 基于摩擦纳米发电机的氧化铁光电解水系统的概念图

图1是该工作中系统的概念图,也是文章的核心理念。选取旋转圆盘状的摩擦纳米发电机作为收集水流动能等机械能的装备,在外部机械动力的驱使下,摩擦纳米发电机产生电压电流。然而其输出特性是高电压低电流且为交流电,不可以直接应用于光电解水。将其通过变压整流获得低电压高电流的直流输出,便可以应用于光电解水。在光照的条件下,氧化铁产生电子空穴对,其中空穴具有氧化性,迁移至氧化铁与电解质界面并氧化水产生氧气;光生电子在电场的驱动下迁移至负极并还原水产生氢气。

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图2 旋转圆盘状摩擦纳米发电机的示意图、工作原理图以及电输出性能

旋转轮盘状的摩擦纳米发电机的结构示意图和实物图如图2a、b所示。其中转盘的金属电极由放射状阵列扇区组成,每个扇区间隔角为1.5°,共分为120份;定盘的金属电极层由两部分网络组成,且两部分网络由精细的沟槽分离,每一个电极网络都是呈放射状阵列扇区状并相互连接,每个扇形角度为1.5°。以具有单面粘性的聚四氟乙烯(PTFE)膜作为摩擦层,当动盘旋转起来时,当动盘旋转起来时,摩擦起电在电极和PTFE膜上感应出不同的电荷,且电极E1和电极E2上的产生电势差并产生电流,如图2c所示。测试了不同转速下纳米发电机的输出,图2d为变压前开路电压、短路电流输出,其中开路峰值到峰值电压大约180 V,短路电流随着转速的增加而增大,在120 rpm时达0.12 mA。变压后(图2e),电压电流均随着转速的增加而增加,并且在120 rpm时短路电流达1.6 mA。

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图3 氧化铁光电极的表征及电化学性能测试

对于光解水系统,该工作中制备了钛修饰的氧化铁催化电极来改善氧化铁自身导电性差的问题。图3a为X射线衍射图,从中可以看出钛修饰的氧化铁和空白氧化铁的衍射峰均归属于α型氧化铁。从透射电镜高分辨图中(图3b)观察到0.27,0.37nm两个晶面间距,归属于氧化铁的(012)和(104)面,表明钛修饰没有改变氧化铁的晶体结构。图3c中明显地检测到钛元素的特征峰,且从图3d莫特肖特基曲线中可以看出,钛修饰提高了氧化铁的载流子浓度。电化学阻抗谱数据(图3e)也表明钛修饰后氧化铁界面电荷迁移以及空穴传输到表面的对应的电阻均小于空白样,这些都是有利于氧化铁性能的提高。因此从图3f中可以看出钛修饰的氧化铁的光电性能的确优于空白氧化铁,1.23时达1.5 mA/cm2。此外,值得一提的是,当电压较高时,光电流与暗电流几乎相等,表明此时电解水占主要作用。

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图4 旋转轮盘状摩擦纳米发电机自驱动钛修饰氧化铁光电解水制氢系统的制备及性能

图4a是该自驱动系统的示意图,原理与先前所述的概念图类似,图4b、c分别是该系统的实物图和简化电路图,值得注意的是,整流桥正极需和氧化铁光电极相连,负极与铂丝相连。图4d是不同转速下加光与不加光电流图,从中可以看出加光之后,峰电流有了明显的提高,随着转速的增加,峰值光电流与峰值暗电流几乎持平,可能原因是随着转速增加,电极两端感应电势差也在增加,由前可知在电压较大时,电解水占主要作用,因而光电流没有明显增加。将峰值电流的点连接起来,可以得到图4e,可以更加直观地看出加光不加光的区别。在不同转速下,测试了电流的同时并测试了峰值电压,将其一一对应起来,可以得到了图4f,其变化趋势与图3f测试结果相似。

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图5 旋转轮盘状摩擦纳米发电机自驱动钛修饰氧化铁光电解水制氢系统的产氢能力评估

为了评估该自驱动系统的产氢能力,做了几组对比实验。图5a是120 rpm时不加光条件下的实物图,一段时间内,铂丝上没有明显气泡产生。图5b为加光后产气情况,从中可以看出加光后产气较不加光条件下明显提高。以带刻度的针筒做成收集装置并来粗略地计算产气速率。期间将铂丝上的气体收集用气相色谱检测,结果显示其产物为纯氢气。在140 rpm时,加光不加光时产氢速率分别达到了5.56和6.67 μL/min。

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【小结与展望】

该项工作最大的亮点在于以摩擦纳米发电机产生电场去驱动钛修饰氧化铁光电解水获得氢气,并且实现了将机械能与太阳能同时转化为氢能的目的。此外,驱动摩擦纳米发电机的动力可以是来源于生活中方方面面可能被轻易忽视的机械能。因此,整个系统在运转过程中获取氢气的同时,不会产生任何污染,符合绿色理念。该法也为如何清洁地获取氢能提供了一条可选的路径。

文章链接Triboelectric Nanogenerator Driven Self-Powered Photoelectrochemical Water Splitting Based on Hematite Photoanodes (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04363)

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 孙旭辉教授团队

主编 | 张哲旭


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本文由清新电源原创,作者孙旭辉教授团队,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/148712.html

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