【能源】太阳能液流电池新突破：新型光电极有效提高开路电压

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太阳能的直接大规模储存对于其高效利用至关重要。不同于一般电池只为了储存能量，太阳能液流电池是一种兼具太阳能收集和储存功能的自充电电池，以共同的氧化还原电对作为桥梁，成功地将光电化学转化技术和液流电池技术结合起来。光照情况下，电对在界面处发生氧化还原反应，将光电极吸收的光能转化为化学能，从而完成自充电过程。充电结束后，与传统的液流电池一样，储存的化学能可通过碳纸电极转化为电能。太阳能液流电池减少了不同设备之间的能量转移损失，不仅可以大幅度提高太阳能的利用效率，同时还具有低成本、大规模、安全环保的优势。

然而，太阳能液流电池过低的开路电压是限制其性能进一步提高的关键因素之一。目前已经实现这类电池的开路电压几乎都低于0.8 V，远低于现阶段水系液流电池约1.2 V左右的开路电压值。这主要是由于以往所选用的光电极无法提供足够大的光电压。为了解决这一问题，近日，美国波士顿学院化学系的王敦伟教授课题组与密歇根大学的米泽田教授课题组合作，构筑了以五氮化三钽（Ta₃N₅）作为光阳极和镀有氮化镓的硅作为光阴极（GaN/Si）的新型双光电极体系，利用该双电极体系可以产生大于1.4 V的光电压。该研究首次成功地实现了对1.2 V开路电压水系2,6-DHAQ（2,6-二羟基蒽醌）/Fe(CN)₆^4-液流电池的高效光自主充电。

该工作分别对Ta₃N₅和GaN/Si两个光电极进行光电化学半反应测试。结果表明，电解液电对在各自的光电极上都表现出很高的氧化还原性能。与此同时，水分解的副反应可以忽略不计。因此，该双光电极体系的理论光化学转换效率可高达3.0%，高于大多数光电化学转换装置的转化效率。进一步的电池测试表明，在无偏压的情况下直接连接两个光电极，光照条件下可以较稳定地输出电流，从而实现光自主充电过程。不仅如此，该电池还能在光充电结束后实现放电功能。该工作为实现更高性能的太阳能液流电池提供了借鉴，并有望在大规模太阳能转化和储存领域获得应用。

这一成果发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者为波士顿学院化学系的博士研究生程青梅，波士顿学院的王敦伟教授和密歇根大学的米泽田教授为该论文的共同通讯作者。

该论文作者为：Qingmei Cheng, Weiqiang Fan, Yumin He, Peiyan Ma, Srinivas Vanka, Shizhao Fan, Zetian Mi, Dunwei Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Photorechargeable High Voltage Redox Battery Enabled by Ta₃N₅  and GaN/Si Dual-photoelectrode

Adv. Mater., 2017, 29, 1700312, DOI: 10.1002/adma.201700312

导师介绍

王敦伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/2156

米泽田

http://www.x-mol.com/university/faculty/45885

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