我科学家发布光催化增强热电材料研究成果

  【科技前沿】  

  本报讯 记者张亚雄、张哲浩21日从西北工业大学获悉，该校材料学院纳米能源材料研究中心李炫华教授团队提出光催化增强热电材料的多功能器件设计思路，解决了热化学电池长期面临的电解质离子大浓差难以构建的关键难题，实现了功能器件电能和氢能的协同制备，为未来多元化能源的有效开发和创新设计提供了核心关键技术。

  低品位热能广泛存在于环境和工业过程，例如太阳能、地热能及车辆、工业、电子元器件发热等。但由于缺乏经济高效的能源回收技术，该部分能量基本被废弃。传统的热电技术在热功率方面存在限制，通常仅能提供较低的热功率。为了克服这一限制，热化学电池被提出并作为一种有效的替代品，可以提供更高的热功率。根据理论分析，热功率与氧化还原离子之间的熵差以及电池冷热两端的离子浓度差有关。因此，如何提高熵差和离子浓度差成为解决热化学电池发展问题的关键核心。

  过去10年，诸多研究团队围绕该问题开展了大量相关研究，目前科学家已经有效解决了熵差受限的问题。但迄今为止还没有找到有效方法实现在热化学电池中构建大离子浓度差，导致热功率较低。究其原因，氧化还原离子对的浓度梯度在热力学上不稳定，很容易出现自发衰减。

  针对这一问题，李炫华团队运用学科交叉思想，基于热化学电池和光催化都使用氧化还原离子对的特点，提出设想：是否可以通过光催化的方法来原位提高热化学电池离子的浓度差，并巧妙“共享”两种氧化还原离子对，从而增强热功率的输出？这一设想通过将光催化和热化学电池交叉融合，有望创制出全新的热电系统，提升器件性能。

  由此，李炫华团队采用铁氰根和亚铁氰根离子作为氧化还原电对，聚丙烯酸水凝胶作为基体。在光照条件下，通过两个氧化还原离子的协同优化，成功获得了较高的热功率，是当前氧化还原离子对热功率最高值的2倍；同时，系统的太阳能到氢能转换效率达到0.4%。

  在此基础上，研究团队构建了一个由36个单元组成的大面积光催化增强热化学电池（112平方厘米），并在西安进行了实地测试。在室外光照6小时后，产生了4.4伏的开路电压和20.1毫瓦的功率，同时产生0.5毫摩尔的氢气和0.2毫摩尔的氧气。这使得系统能够满足小型电子设备对电能的需求，同时也为氢能的产生提供了一种绿色、高效的解决方案。这些优势使得光催化热电技术为未来能源转换和可持续发展提供重要支持，多元化的能源利用为未来科技的发展提供了更多的可能性。相关研究成果于7月21日在线发表在《科学》上。