近期，四川大学水利水电学院能源与动力工程系孙立成教授团队的杨伟博士在光电化学电池结构设计与性能提升方面取得新进展，相关研究成果以“Green supercapacitor assisted photocatalytic fuel cell system for sustainable hydrogen production”为题发表于工程技术领域国际权威期刊Chemical Engineering Journal。文中首次构建了超级电容辅助光电化学电池制氢的新型系统，实现了光照和无光照条件下的持续产氢，使得太阳能-氢能的能量转换效率提高了50%。论文第一署名单位为四川大学，第一作者为水利水电学院杨伟博士。
随着经济社会的快速发展，环境污染和能源危机制约现代社会的可持续发展的重要因素。发展中可再生能源技术（如燃料电池、电化学制氢，光催化等）可有效降低对化石燃料的依赖，促进环境修复和获取清洁能源。氢气由于其能量密度高、清洁性好，被广泛认为是理想的能量载体。光电化学电池在太阳能利用、氢能制取和有机物降解方面具有广阔的应用前景，有机物降解效率和产氢速率较高，近年来得到了国内外学者的广泛关注。在光电化学电池制氢系统中，氢气的产生直接依赖于太阳光照射；为了保证电极催化反应的进行，实验中往往需要提供连续照明。然而，在实际应用，光照受天气等外部因素影响极大，且夜间难以维持反应所需的太阳照射。
系统结构示意图以及产氢机理示意图
系统在光照/无光照条件下的电极电流、电位和产氢速率相应曲线
系统的有机物降解、电位相应和功率密度
为解决光照不连续导致的产氢间断问题，杨伟博士等人首次提出了超级电容辅助光电化学电池制氢的新型系统。实验中通过获取具有电容特性良好的生物炭并以此制备成超级电容器，并在系统中与光电化学电池阳极连接，构建超级电容辅助光电化学电池。该系统具有两方面优势：在光照条件下，一方面超级电容可有效储存阳极富余的电子，用于维持无光照条件阴极的产氢；另一方面，超级电容与阳极的直接连接能有效抑制光阳极表面电子-空穴对的复合，提高电极表面光能利用率。研究结果表明，该系统在光照条件和无光照条件下分别获得了32 μmol/L和13 μmol/L产氢速率，以及0.12 mW/cm2的功率密度输出，最终实现了氢气持续生成和电能输出。计算表明，通过超级电容器辅助光电化学电池的新设计，使得太阳能-氢能的能量转换效率提高了50%。该工作对解决光电化学电池制氢应用中光照不连续的问题提供了新的解决思路。
该工作得到了国家自然科学基金、四川大学专职博士后基金的资助。
来源：四川大学
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720324967
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