Energy Environ. Sci.：蓝色能源燃料—通过CO2还原反应将海洋波浪能转化为液体碳燃料

【引言】

CO₂的电化学还原反应能将CO₂转化成液体碳燃料，减轻目前能源和环境的需求。然而，可再生、可持续的能源驱动的这种反应未充分开发，目前是一项挑战。海洋波浪能是丰富、可持续的能源，和太阳能相比，受天气条件的影响较小，但未被广泛利用，其中一个原因是电磁式发电机作为波浪发电机却不能漂浮在海面上，需要支撑平台或者固定在海底上，会给海洋生物带来困扰。摩擦纳米发电机能利用摩擦起电和静电感应的效应将机械能转化为电能，为了解决电磁式发电机的上述问题，最近应用于捕获波浪能。波浪能转化为电能后储存在化学燃料里，与通过超级电容器和电池储能相比更可取。目前还没有摩擦纳米发电机驱动的CO₂的电化学还原反应制备液体碳燃料的报道。

【成果简介】

近日，香港城市大学的何志浩教授（通讯作者）等人联合佐治亚理工学院的王中林教授與沙特KAUST的Khaled Salama教授报道了弹簧辅助的球形摩擦纳米发电机捕获的波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应制备液体碳燃料。这种摩擦纳米发电机和电磁式发电机相比更具性价比。而且，它和以往的摩擦纳米发电机相比具有更高的波浪能转化效率和功率输出，能漂浮在海面上，对环境的影响最小，操作简单。他们通过优化这个波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应体系的参数，使CO₂的电化学还原反应的法拉第效率接近100%，使液体燃料产量最大。实验室的表面积为0.04 m²的水上，CO₂的电化学还原反应的产物甲酸的最大产量为每天2.798 μmol。红海上，风速为每小时18海里时，甲酸的产量为每天0.325 μmol。他们还对利用波浪能制备液体燃料的未来发展进行展望。上述成果发表在著名期刊Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图1.波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应体系的示意图

这个体系由三部分组成：弹簧辅助的球形摩擦纳米发电机；带有整流器和超级电容器的能量存储电路；用于CO₂的还原反应和析氧反应的双电极电化学电池。

图2.电化学反应和超级电容器的表征

(a)扫描速率为10 mV s⁻¹时0.5 M CO₂饱和的KHCO₃溶液中Bi₂O₃包裹的阴极的CO₂还原反应（蓝色曲线）和1 M KOH溶液中Pt阳极的析氧反应的LSV曲线；

(b-c)四个平行连接的摩擦纳米发电机充电、电容为0.01–0.1 F的超级电容器的电压(b)和储存的能量(c)与充电时间的关系；

(d)0.01F超级电容器由1.9 V充电至2.4 V的过程中电压和充电时间的关系。

图3.

3.9 V、 2.9 V和2.4 V的超级电容器放电到双电极电化学电池的过程中其电压（a）和电流（b）的曲线。

图4.产物的NMR分析和能量转换效率

(a)超级电容器从3.9 V、2.9 V和2.4 V放电后甲酸的法拉第效率；

(b)三个电压下每个充放电循环和每天所产生的甲酸的物质的量；

(c)三个电压下摩擦纳米发电机的机械能、储存在超级电容器中的电能和有助于甲酸转化的能量。

图5.波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应体系的现场测试

(a)现场测试的照片；

(b)不同风速下每天所产生的甲酸的物质的量。

【小结】

研究团队报道了波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应体系将波浪能转化成方便储存和运输的液体碳燃料。弹簧辅助的球形摩擦纳米发电机将波浪能转化成电能，价格便宜，质轻，对海洋生物的影响小。电能通过电化学反应将CO₂转变成甲酸。而且，他们通过优化这个波浪能驱动的CO₂的电化学还原反应体系的参数，使CO₂的电化学还原反应的法拉第效率接近100%。另外，他们还在实际场景中测试了这个体系，证明这个体系具有实用性。

文献链接：Blue Energy Fuels: Converting Ocean Wave Energy to Carbon-Based Liquid Fuels via CO₂ Reduction（Energy Environ. Sci.，2019，DOI：10.1039/C9EE03566D ）

何志浩(Jr-Hau He)目前为香港城市大学材料系教授。其研究领域是神经形态工程在网络安全与深度学习(Neuromorphic engineering for cybersecurity and deep learning)，与光电器件的光管理，包括光电化学电池。这几年基于过去的基础瞄准材料学、电子学、信息学、物理与化学等学科的交叉领域，研究兴趣延伸至纳米能源材料与器件、自供电系统、纸印刷电子学，可挠式/透明电子组件等基础与应用研究。

    何教授与其领导之研究团队也在专业学会与会议得超过80个奖项，获得国际上的同行肯定。除了科学研究之外，何志浩教授对技术工业化相当重视，积极参与产学合作、持续技术转移给工业界。基于上述学术贡献和前沿研究经验，积极开展科研项目，过去从企业界与学术界承担超过一千一百万美金的项目支持。

    他是美国光学学会(OSA),国际光学工程学会(SPIE)与皇家化学学会(RSC)会士。目前也是IEEE Electron Devices Society与Nanotechnology council 杰出讲师(Distinguished Lecturer)。曾获得Nano Energy Award (2019) ，台湾科技部杰青项目(吴大猷奖)(2014)与优秀青年项目(2011) 、中国电机工程学会优秀青年电机工程师奖 (2013)、台湾镀膜科技协会杰出青年奖(2012)、中华民国光电学会第一届青年光电工程奖(2011)、台湾电子材料与组件协会杰出青年奖 (2011)、 Prof. Jiang Novel Materials Youth Prize of International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (2011)与潘文渊基金会考察研究奖(2008) 以及获选为Member of the Global Young Academy (2011)。

     更多何志浩团队在该领域工作与相关文献，可连结:

http://personal.cityu.edu.hk/jrhauhe/

本文由材料人编辑部kv1004编译供稿，材料牛整理编辑。
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