注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

太阳能作为自然界中存在最广泛的可再生能源（23,000 TW/年），如何实现其高效合理地开发利用一直是新型能源体系发展的研究重点。近日，中科院长春应化所董绍俊院士（点击查看介绍）团队通过构建基于水/氧循环的生物光电化学模型，实现了集成化体系下太阳能的连续转化与存储，这为解决区域性光照间歇所引起的能源转化供需问题提供了一条新的思路。

随着科学技术与生产力的发展，电力作为一类高质量的清洁能源已经渗透到人们日常生活的各个角落。目前，通过光电转化这一途径来获取电力被认为是开发利用太阳能可再生资源的有效手段。然而，地球自转过程中所引起的区域性光照间歇问题却阻碍了这一能量转化的连续进行，使其不能满足实际生产生活中源源不断的电力需求。因此，如何同时实现太阳能的转化与存储成为当下科研工作者们需要解决的研究课题。近来研究报道指出，将光电化学体系与储能体系（例如：二次电池、液流电池等）连用可以有效地实现太阳能电力的存储。但多体系连用存在设计复杂、工艺成本高以及能量传输损耗严重等问题，并且不利于大规模的扩展应用。

中科院长春应化所董绍俊院士团队设计的集成化生物光电化学模型则有效地规避了多体系连用中存在的诸多问题，为太阳能资源的有效分配与合理利用提供了一条可借鉴的绿色道路。该团队通过设计电池体系，将聚吡咯固态电容电极引入光生物燃料电池中，建立起了一个基于水/氧循环的生物光电化学模型，实现了集成化体系下太阳能的循环蓄放。相较于传统太阳能燃料和液态氧化还原对的储能过程，聚吡咯固态电容电极则为太阳能的蓄放提供一个更加轻便、可扩展应用的储能模块，使能量存储更为安全、简便。其次，在太阳能蓄放过程中，体系中的水/氧分子能自发形成循环，不需要额外牺牲试剂与其它氧化还原对的参与，极大地提高了设备安全性并降低了设备成本。此外，该体系模块化与集成化的结构设计也使其能够根据不同实际情况进行调整优化，更好的满足多方面应用需求。

实验数据分析显示，该概念模型在光照与暗场条件下分别获得0.34 ± 0.01 和 0.19 ± 0.02 mW cm^-2的最大功率密度输出，并且展现出稳定的太阳能蓄放循环性能。通过改变储能模块（聚吡咯电容电极）的电容量，充/放电时间可以得到有效调控。在本项研究工作中，水/氧循环生物光电化学模型的构建一方面推动了光电化学体系、生物电化学体系以及电容器体系间的交叉融合发展，另一方面也为未来绿色化可充电设备的研究发展提供一定的指导意义。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上，文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所博士研究生张鹤。

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Water/Oxygen Circulation-Based Biophotoelectrochemical System for Solar Energy Storage and Release

He Zhang, Liang Huang, Junfeng Zhai, Shaojun Dong

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 16416-16421, DOI: 10.1021/jacs.9b08046

董绍俊院士介绍

中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师、发展中国家科学院院士（1999年当选）。研究领域：分析化学，电化学。获国家自然科学奖3项和省部级奖10项，国际奖1项。出版专著、专论16部/册，获授权发明专利60多项。发表SCI收录论文1,000余篇,论文被引用57,000多次, h-指数115。在全国第十八次电化学大会上获中国电化学成就奖（2015）。迄今连续6次跨17年（2002-2018）入选科睿唯安( Clarivate Analytics )全球高被引用科学家。入选全球h-指数超百高被引用科学家。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15760

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：在我们团队之前的研究工作中，通过将n-型半导体光阳极与多铜氧化酶生物阴极相匹配，构建了一个基于水/氧循环的生物光电化学池（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1547），实现了无燃料状态下光能与化学能向电能的连续稳定转化。但该体系的运行完全受控于外界光照情况，无法满足实际生产生活中连续不断的电力需求。因此，在上述体系的研究基础上我们通过引入储能模块（聚吡咯电容电极），在本工作中建立起一个集成化的生物光电化学模型体系，实现了光照与暗场条件下源源不断的电力输出。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：储能模块中电极的选择与酶生物阴极界面修饰策略是本项研究工作在进行过程中所遇到的较大挑战。该体系中，为确保固态电容电极的正常蓄能，一方面其充/放电电势窗口需介于光生物燃料电池两电极电势之间；另一方面需确保该电极在中性电化学体系中具备较高且稳定的电容量。经过多方面优化选择与测试，我们选择聚吡咯电容电极作为储能模块。针对生物阴极中多铜氧化酶的界面修饰，选择TCPP功能化分子连接酶蛋白与电极界面可以有效提高生物酶在电极界面的固定以及两者间的电子传输效率，实现高效稳定的生物电催化效果。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该项工作所研究的概念体系有效地推动了光电化学体系、生物电化学体系以及电容器体系间的交叉融合，为新一代太阳能蓄放体系提供了一个绿色、无污染的环境友好型理想模型。我们相信在相关工业技术支持下该模型有望在新兴绿色能源器件商业化应用上得到发展。