【文章亮点】

串联系统的光电流为0.4 mA/cm2，相对湿度降低了12.0％。

当今社会，随着化石燃料的大量消耗，面临的能源危机将进一步加重！随着人口的进一步增长，科学家们预测在未来20年，世界能源消费总量预计将在现有基础上在增加30%到50%间。开发各种新式、清洁能源，减少对化石能源的依赖，已是迫在眉睫！虽然利用太阳能分解水是一种可持续和环境友好的生产清洁燃料的方式，以应对不断增长的能源需求，但是传统的光能电解水系统面临着两个巨大的挑战：足够的淡水水源和多余的电能。尤其是淡水可用的本就非常少！

基于上述问题，新加坡国立大学的SweeChing Tan（通讯作者）团队报道了一种铁电半导体（BaTiO3@BiVO4）混合材料，且该材料使用有效的策略来增强水氧化过程中的电荷分离和转移。在正极极化后，正方型钛酸钡（BaTiO3）可产生内建电场向外矢量，有助于提高光电压，加速空穴向BiVO4表面的转移。而超吸湿性金属水凝胶用作大气湿度收割机，为混合动力系统提供连续的水供应，并将水氧化。水凝胶吸收周围潮湿空气中的水分，作为除湿剂，将水输送到光电阳极发电，并与太阳能电池串联，进一步提高了载体的流动性。这种光阳极-水凝胶和太阳能电池智能组件可以在10 mW/cm2的光照下产生0.4 mA/cm2的光电流，且相对湿度降低12.0%。相关工作以题目为“Energy Harvesting from Atmospheric Humidity by aHydrogel-Integrated Ferroelectric-Semiconductor System”发表在Joule上。

一、太阳能电池驱动的湿度分裂

当太阳能电池和设备串联在一起时，光电流随切碎的LED冷日光照明（10 mW/cm2）而变化。其中，太阳能电池用于额外的电能输入，以增强电荷迁移，而光电阳极-水凝胶设备则用于湿度收集和水分解。在测试之前，将系统放置在周围环境中以吸收水分，直到Co-水凝胶吸水饱和为止。在光照条件下，该系统可产生的光电流约为0.4 mA/cm2。

二、没有太阳能电池驱动的湿度分裂

仅通过光阳极-水凝胶设备时，光电流也会随切碎的LED冷日光照明（10 mW/cm2）而变化。在没有额外的电能输入时，水凝胶用于湿度收集，而光阳极则用于水氧化。同样，在测试之前，将设备放置在周围环境中以吸收湿气，直到Co-水凝胶吸水饱和为止，但该设备可产生的仅光电流约为0.1 mA/cm2。

【图文速递】

图1.铁电半导体的合成与结构以及光阳极的合成过程与材料的形貌

图2.铁电环的BaTiO3在原子和开尔文探针力显微镜下的结果

图3.在22.5℃的LED冷日光照明（10 mW/cm2）下，磷酸盐缓冲液（pH=7.0）和水凝胶中制备样品的PEC性能

图4.在水凝胶系统下太阳能电池驱动的BaTiO3@BiVO4分解水

图5.智能串联系统的喷漆和分解水的模型

【总结】

综上所述，作者通过使用光阳极-水凝胶装置既实现了吸湿又实现了水分解。其中，光电阳极由铁电半导体混合体组成。铁电组分充当电荷分离和转移促进剂，而半导体充当光吸收剂。混合体发生正极化后，铁电体会产生Ein的向外矢量，从而增强空穴向表面的转移，有效地氧化水。同时，超吸湿性水凝胶可吸收大气中的水分，并作为光阳极分解水的水源。通过太阳能电池驱动的设备同时产生0.4 mA/cm2的光电流，从而使RH降低了约12.0％。总之，该集成系统通过充分利用充足的光线和环境湿度，开启了同时进行除湿（零能源需求）和发电的新可能性。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119305240?via%3Dihub