2023年7月21日，西北工業(yè)大學(xué)李炫華教授團隊在Science上以“In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production”為題報道了一種光催化增強的熱電電池，該電池將原位熱電轉(zhuǎn)換與水分解相結(jié)合，促進了電力和氫氣的產(chǎn)生，這種方法有望改善太陽能和其他廢熱源的利用。
李炫華，材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，倫敦瑪麗女王大學(xué)客座教授，國家文物局重點科研基地副主任，陜西省重點科技創(chuàng)新團隊負責(zé)人。主要從事納米光電材料和文物保護材料研究。主持國家自然科學(xué)基金等10余項科研項目。以第一作者或通訊作者在Chem.Soc.Rev. Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater.等國際期刊發(fā)表論文45篇, 4篇入選ESI Top1%高被引論文，SCI他引總頻次1350次，單篇最高他引452次。入選第四批萬人計劃青年拔尖人才、陜西省“特支計劃”青年拔尖人才、陜西省青年科技新星、西北工業(yè)大學(xué)“翱翔青年學(xué)者”。主要研究方向為：半導(dǎo)體光電納米材料與器件、薄膜太陽能電池材料與器件、金屬納米材料與等離子體光學(xué)傳感器等。
李炫華教授今年已經(jīng)在Nature Energy和Nature Communications連發(fā)了3篇文章闡述提高光吸收器件的效率的策略，且指明許多用于整體水分解的光催化系統(tǒng)都存在電荷載流子分離不良的問題。
收集廢熱（例如，太陽輻射，或來自工業(yè)過程或人體）對于碳中和和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。不幸的是，大多數(shù)廢熱分布在環(huán)境溫度附近，這使得需要大溫差的傳統(tǒng)熱機無法接近。
基于兩個不同溫度的電極的氧化還原反應(yīng)，可以使用稱為熱電電池的電化學(xué)裝置進行連續(xù)廢熱收集，具有經(jīng)濟實惠，可擴展和環(huán)保的特性。然而，有限的熱電轉(zhuǎn)換效率是實際應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
在此，西北工業(yè)大學(xué)李炫華教授等人報告了一種原位光催化增強熱電器件的設(shè)計，該器件可以將熱功率提高到8.2 mV K-1，并提供高達0.4%的太陽能制氫（STH）效率（圖1B）。
其中，一種O2-析出光催化劑（OEP）有助于FeCN3-向FeCN4-的正向反應(yīng)，且促進了H2O到O2產(chǎn)量，從而導(dǎo)致熱側(cè)FeCN4-濃度較高。同時，H2演化光催化劑（HEP）將FeCN4-轉(zhuǎn)化為FeCN3-，并促進了水產(chǎn)生H2，增加了冷側(cè)FeCN3-的數(shù)量。
此外，高局部濃度的FeCN4-附近熱側(cè)熱力學(xué)增強氧化反應(yīng)FeCN4-→FeCN3-，更多的電子轉(zhuǎn)移到熱電極，而高局部濃度的FeCN3-附近冷側(cè)熱力學(xué)增強還原反應(yīng)FeCN3-和FeCN4-更多的電子從冷電極，使連續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生高電壓。
隨著光催化反應(yīng)的進行，體系內(nèi)也形成了H+濃度梯度。因此，通過增強FeCN4-、FeCN3-、H+的DC和改進的DS，進一步增強了光催化增強的TGC的熱電勢。
相關(guān)文章以“In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production”為題發(fā)表在Science。
熱能（高于環(huán)境溫度0°至100°的熱量）來自各種自然和工業(yè)過程，包括太陽能和地?zé)崮堋⑦\輸、制造、電子和生物實體。
通過使用熱電技術(shù)與太陽能照明相結(jié)合，可以將熱量轉(zhuǎn)換為電能，但傳統(tǒng)的熱電技術(shù)受到其微伏/開爾文的低熱功率的限制。熱電和熱擴散電池是兩種選擇，可提供每度毫伏的高熱功率，并啟用將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的可擴展路線。
據(jù)報道，基于離子熱擴散效應(yīng)的熱擴散池具有24 mV K-1的可觀熱功率，但是它們的不連續(xù)電輸出使它們在實際應(yīng)用中不可靠。相比之下，熱電電池（TGC）通過在溫差（ΔT）下工作來產(chǎn)生連續(xù)的電力，這在實際應(yīng)用中具有希望。以前的研究報告了3.7 mV K-1的熱功率和歸一化功率密度，從理想的實驗室加熱器和冷卻板提供的熱量中獲得。
熱功率與氧化還原離子之間的溶劑依賴性熵差（ΔS）和熱側(cè)和冷側(cè)之間氧化還原離子的濃度差異（ΔC）有關(guān)。熱功率可以通過增加氧化還原離子的ΔS來增強。
然而，由于氧化還原離子自發(fā)擴散到均相狀態(tài)，這些TGC的ΔC在熱力學(xué)上不穩(wěn)定并降低到接近零。因此，為冷熱側(cè)之間的氧化還原離子構(gòu)建高且連續(xù)的ΔC并解釋固有的ΔC調(diào)制機理構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。
圖1. 原位光催化增強了TGC中氧化還原離子的濃度梯度
圖2.?TGC和Ov-WO3/TGC/Sv-ZIS的熱電性能
總的來看，本文的工作還開創(chuàng)了一條全新的路線，利用廢熱來改進光電化學(xué)系統(tǒng)。值得注意的是，只有一部分太陽光譜可用于光催化過程，而大多數(shù)波長的輻射以熱量的形式損失。
盡管已經(jīng)開發(fā)了熱化學(xué)反應(yīng)和太陽能熱電發(fā)電機來幫助合成太陽能產(chǎn)生的燃料，但它們的高工作溫度（數(shù)百開爾文）需要額外的太陽能聚光器。
相比之下，氧化還原耦合的熱電轉(zhuǎn)換可以直接利用光電化學(xué)系統(tǒng)中的近環(huán)境溫度太陽熱量，這些系統(tǒng)也很容易原位集成。此外，原位熱電轉(zhuǎn)換不僅有可能使太陽能熱能，而且有可能使無處不在的環(huán)境熱能增強電力和燃料生產(chǎn)的光電化學(xué)系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)的熱電技術(shù)不同，熱電轉(zhuǎn)換的核心材料氧化還原偶也用于廣泛的能源化學(xué)領(lǐng)域，如光催化、染料敏化太陽能電池、氧化還原液流電池和電化學(xué)過程，為原位余熱收集和更高效的能量轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。
本文的工作標志著朝著這個方向邁出的第一步，對這種多場耦合能量轉(zhuǎn)換的更多關(guān)注應(yīng)探索新的協(xié)同機制，并將廣泛研究基礎(chǔ)材料的性能，共同為更可持續(xù)的能源未來做出貢獻。
Yijin Wang, Youzi Zhang, Xu Xin, Jiabao Yang, Maohuai Wang, Ruiling Wang, Peng Guo, Wenjing Huang, Ana Jorge Sobrido, Bingqing Wei, and Xuanhua Li, In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0164
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