作为地球上最广泛的能量来源，每年到达地球表面的太阳辐射能巨大，可直接开发和利用，没有地域的限制，因此太阳能是一种有望代替化石燃料的新兴可再生能源。一般太阳能发电是通过光伏效应将太阳光转化成电能，太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，其发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体。但是作为一种间歇性能源，太阳能的有效利用除了依赖于高效的太阳能电池，也依赖于先进的能量存储系统以实现全天候的能量传输。另一方面，太阳能电池板的生产过程一般需要复杂昂贵的工艺，且会产生大量有毒废水，另外弃置的太阳能电池也是问题，若没有妥善的回收机制，会对环境造成污染。因此，更广泛的太阳能的利用有待于新型技术的开发。

(A, B) 光驱动的再生电化学循环原理示意图

光驱动的再生电化学循环器件设计及双功能石墨烯集流体/辐射吸收器示意图

近日，由德州大学奥斯汀分校余桂华教授（点击查看介绍）带领的团队报道了一种新型的绿色低成本能源器件以同时实现太阳能的转化与收集。基于温差原电池原理，余桂华教授的团队开创性地设计了光驱动的再生电化学循环，通过系统的活性分子筛选与电化学研究，该能源系统实现了高达-1.8 mV/K的塞贝克系数和500圈充放电循环之后98%的容量保持，同时活性物质全部来自于资源丰富型材料，且不需要复杂的制备、装配工艺。该系统不仅可以实现太阳光的有效利用，同时也能收集更广泛的热能资源。即使是参比室温35摄氏度温差的低品质热源也可以实现相比于卡诺循环11.9%的转化效率。为了进一步提高太阳能的转化效率，余桂华教授的团队设计了一种基于石墨烯的双功能集流体兼太阳辐射吸收器，同时具有优异的导电性、光辐射吸收率及光热转化效率。光照条件下的概念验证测试进一步证实了该系统的稳定性和几乎可以忽略的自放电，展现出了其巨大的潜力，为下一代可持续性绿色能源器件的设计与开发提供了新的思路。

概念验证的放电电压曲线图及库伦效率

这一成果近期发表在英国皇家化学会旗下的Energy & Environmental Science 上，通讯作者为余桂华教授。余桂华教授课题组专注于从化学的角度来设计新型能源转化与存储器件，综合化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过有机合成对活性物质的物理/化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能理论计算模拟，发展了一系列新型有机液流电池、仿生液流电池。通过把“原子经济性”的原则扩展到能源领域，为下一代绿色储能材料的开发开创了新的方法，并对氧化还原反应电对的分子设计提供了新的理念。

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Simultaneous energy harvesting and storage via solar-driven regenerative electrochemical cycles

Yu Ding, Xuelin Guo, Katrina Ramirez-Meyers, Yangen Zhou, Leyuan Zhang, Fei Zhaoa, Guihua Yu

Energy Environ. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9EE01930H

导师介绍

余桂华

https://www.x-mol.com/university/faculty/37838