開(kāi)發(fā)一種可以在電力儲(chǔ)存和發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生有價(jià)值化學(xué)物質(zhì)的可再充電電池，對(duì)提高電子經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有巨大的前景，但是這種電池還有待探索?；诖?，清華大學(xué)段昊泓教授（通訊作者）等人報(bào)道了一種可再充電生物質(zhì)流動(dòng)電池，其在生產(chǎn)2-呋喃甲酸（俗稱糠酸）的同時(shí)發(fā)電，并在產(chǎn)生α-呋喃甲醇（俗稱糠醇）的同時(shí)儲(chǔ)存電力。該電池由銠-銅（Rh1Cu）單原子合金作為負(fù)極，鈷摻雜的氫氧化鎳（Co0.2Ni0.8(OH)2）作為正極和含糠醛的負(fù)極液組成。在-0.2 VRHE條件下，對(duì)糠醛還原的法拉第效率（FE）比Cu高（73% vs. 22%），在糠醛氧化中高效產(chǎn)糠酸。
在全面的電池評(píng)估中，該電池顯示出高放電容量（19.6 mAh cm-2，相當(dāng)于約150 mAh g-1）、庫(kù)侖效率（在20 mA cm-2時(shí)達(dá)到95%）、能量密度（19.8 mWh cm-2）和能量效率（62%），與主流電池相當(dāng)。同時(shí)，其顯示出1.29 V的開(kāi)路電壓（OCV）和高達(dá)107 mW cm-2的峰值功率密度，超過(guò)了大多數(shù)催化電池混合系統(tǒng)。作為概念驗(yàn)證，該電池在0.78 kWh的電力輸出下產(chǎn)生1公斤糠酸，在1 kWh的電力存儲(chǔ)下產(chǎn)生0.62公斤糠醇。該工作可能為具有增值功能的可再充電電池的設(shè)計(jì)提供啟示，例如化學(xué)品生產(chǎn)。
將電力存儲(chǔ)/發(fā)電過(guò)程與產(chǎn)生有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)或燃料的電化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合將具有吸引力，將潛在地降低成本并增加電池系統(tǒng)的電子經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。最近報(bào)道的通過(guò)將鋅（Zn）負(fù)極與活性正極耦合來(lái)進(jìn)行增值反應(yīng)的混合系統(tǒng)不僅產(chǎn)生電力，而且在正極（H2、C2H4、NH3等）傳輸有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)或燃料。然而，Zn是一種犧牲負(fù)極，由于正極的OER動(dòng)力學(xué)緩慢，很難再充電，從而降低了電能存儲(chǔ)過(guò)程中的能量效率。直接乙醇燃料電池（DAFC）通過(guò)耦合ORR和乙醇氧化過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生電力和碳基化學(xué)品，但其也是不可再充電的。因此，一種可再充電電池可在電力存儲(chǔ)和發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生有價(jià)值的產(chǎn)品，前景廣闊，但仍有待探索。
通過(guò)降低Cu催化劑上糠醛到糠酸的電位，在接近0 V（或在pH=14時(shí)-0.83 V）的情況下，實(shí)現(xiàn)了這種電池。然而，這種電池在產(chǎn)生還原性化學(xué)物質(zhì)時(shí)無(wú)法儲(chǔ)存電力，類似于DAFCs?？啡┑难趸€原特性激發(fā)作者設(shè)計(jì)一種可再充電生物質(zhì)電池，同時(shí)用于儲(chǔ)電/發(fā)電和糠醛還原/氧化。挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)一種具有雙功能的高性能電催化劑，在活性、選擇性和FE方面實(shí)現(xiàn)高效的糠醛還原/氧化。此外，一個(gè)最佳的電池電極也需要滿足一個(gè)實(shí)際的全電池的關(guān)鍵指標(biāo)，包括容量、功率密度和能量密度。
在電流密度為10 mA cm-2時(shí)，氧化電位與還原電位（?E）之間的電位差僅為0.17 V，低于Zn-空氣電池中OER/ORR對(duì)的電位差，使得糠醛氧化還原成為一種很有前景的氧化還原選擇。當(dāng)與糠醛氧化還原耦合時(shí)，它還應(yīng)提供大的電位差（?U），而不會(huì)發(fā)生HER或OER，從而賦予電池高能量密度和功率密度。作者構(gòu)建了Cu(?)//Ni(OH)2(+)電池，在不含糠醛的情況下，電池的OCV為0.82 V。當(dāng)負(fù)極液中加入糠醛時(shí)，電池的OCV為1.31 V，表明其作為高性能生物質(zhì)電池的巨大潛力。
圖3. Rh1Cu負(fù)極的電化學(xué)評(píng)估與表征
作者以制備的Rh1Cu為負(fù)極，Co0.2Ni0.8(OH)2為正極，Nafion 117（183 μm）為陽(yáng)離子交換膜（CEM），組裝了Rh1Cu(?)//Co0.2Ni0.8(OH)2(+)流動(dòng)電池。在不添加糠醛時(shí)，Rh1Cu(?)//Co0.2Ni0.8(OH)2(+)電池的OCV保持在0.78 V，加入糠醛后迅速攀升至1.29 V。該電池的峰值功率密度為107 mW cm-2，遠(yuǎn)高于不含糠醛的Rh1Cu(?)//Co0.2Ni0.8(OH)2(+)（17 mW cm-2）和Zn(?)//糠醛(+)（3.2 mW cm-2），優(yōu)于所有混合系統(tǒng)，包括Zn-NO、Zn-H2O、Zn-CO2和DAFC電池等。此外，電池的放電容量高達(dá)19.6 mAh cm-2，在20 mA cm-2時(shí)庫(kù)侖效率為95%；能量密度為19.8 mWh cm-2，在20 mA cm-2時(shí)能量效率為62%，均可與Zn-空氣電池相媲美。將四個(gè)生物質(zhì)電池串聯(lián)起來(lái)以增加工作電壓，并由光伏電池充電，其可為外部負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，包括計(jì)時(shí)器（1.3 V）、LED燈（3.8 V）和手機(jī)（5 V）。
圖5.Rh1Cu(?)//Co0.2Ni0.8(OH)2(+)的全電池性能
在電能輸入過(guò)程中，以20 mA cm-2的速率存儲(chǔ)了1 kWh的電能，同時(shí)產(chǎn)生了0.7 kg的糠醇。在充電速率為50 mA cm-2時(shí)，每kWh電力輸入產(chǎn)生的糠醇產(chǎn)量略低（0.62 kg），表明相對(duì)穩(wěn)定的電流效率。在電力輸出過(guò)程中，在放電速率為20 mA cm-2時(shí)，產(chǎn)生1 kg 2-呋喃甲酸，發(fā)電量為0.46 kWh。在放電速率為50 mA cm-2時(shí)，每千克2-呋喃甲酸產(chǎn)量的輸出電量達(dá)到0.78 kWh。關(guān)于應(yīng)用場(chǎng)景，作者預(yù)計(jì)可再充電生物質(zhì)電池適用于分布式儲(chǔ)能和化學(xué)生產(chǎn)。
圖6.生物質(zhì)電池的發(fā)電/產(chǎn)品生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估
Rechargeable Biomass Battery for Electricity Storage/generation and Concurrent Valuable Chemicals Production. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202304852.
https://doi.org/10.1002/anie.202304852.
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