Adv. Mater.：高效的光催化剂驱动可逆氧化还原反应的太阳能收集和存储

【引言】

为了更好地使用大量而间歇性的阳光，太阳能转换和储存的同时进行，受到越来越多的关注。在太阳能氧化还原电池（SPRC）中，驱动非自发可逆氧化还原反应的光电极，可以通过相应的逆反应递送能量，这为直接太阳能收集和储存提供了具有成本效益和有前途的方法。然而，缺乏具有高转换效率和高耐久性的光电极，妨碍SPRC的实际应用。本文发现了一种新的光负极，显著提高了太阳能到输出能量转换效率和循环性能。

【成果简介】

近日，中国苏州大学的赵宇和美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Guihua Yu（共同通讯）作者等人发现，WO₃修饰的BiVO₄光负极，不需要额外的电催化剂，可以实现单光催化剂驱动的SPRC，其太阳能到输出能量转换效率高达1.25％。在超过20个太阳能储存/交付周期中，SPRC表现出稳定性、高效率和稳定性，主要原因是快速的氧化还原反应，良好匹配的能级和BiVO₄的高效收光和电荷分离。研究结果表明开发低成本的、耐用的且易于实施的太阳能技术是可行的。相关成果以“Efficient Solar Energy Harvesting and Storage through a Robust Photocatalyst Driving Reversible Redox Reactions”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图 1 SPEC的装置图及催化剂的能带与电位之间的关系图

（a）SPEC的三种装置类型；

（b）光催化剂能带结构与氧化还原对氧化还原电位的关系。

图 2 三电极电池的性能图

（a）在三电极电池中，pH=4的缓冲溶液中，1日照下，PEC反应的典型J-V曲线图；

（b）三电极电池中，PEC溴化物氧化的ABPE图；

（c）在没有外部电压偏置的Nafon 211的H^-电池中，阳极驱动耦合的Br^-氧化和I₃^-还原的典型光电流-时间（J-t）图。

图 3 三电极电池的CV、CP及其功率密度图

（a）在Pt电极和含有Na₂SO₄和H₃BO₃缓冲溶液中，KI和LiBr的CV曲线图；；

（b）是（a）中装置对应的CP曲线图；

（c）是（a）装置对应的循环性能图；

（d）充满电后，电流速率范围从0.25到8 mA cm^-2，极化曲线的电位和相应的功率密度图。

图 4 SPRC的结构及性能表征

（a）SPRC的结构示意图；

（b）SPRC的工作原理示意图；

（c）SPRC的太阳能储存曲线图；

（d）SPRC的传递曲线；

（e）SPRC的太阳能输送容量图；

（f）SPRC的太阳能到输出能量转换效率图。

图 5 SPRC的输送能力和输出能量转换效率图

（a）SPRC的太阳能储存曲线图；

（b）SPRC流动模式输送曲线图；

（b）SPRC流动模式输送能力和太阳能到输出能量转换效率图。

【小结】

本文找到了低成本的、强大的光催化剂，驱动可逆氧化还原反应，最大限度地提高太阳能转化和储存的效率。BiVO₄光电阳极的PEC特性和合适氧化还原反应快速反应动力学特征，有助于提高太阳能到输出能量转换效率和循环性能。这项工作不仅为太阳能转换和储存提供了一种有前景且具有成本效益的方法，而且为快速的PEC氧化还原反应带来了新的见解，有效的促进了太阳能利用。

文献链接：Efficient Solar Energy Harvesting and Storage through a Robust Photocatalyst Driving Reversible Redox Reactions（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802294）。

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