西建大云斯宁：氮氧化铌在第三代太阳能电池和厌氧发酵系统中的应用

【引言】

能源危机和环境污染是人类社会面临的两大挑战。可再生能源的高效开发和利用是解决这一问题的关键所在。太阳能和生物质能（从广义上讲，生物质能也是一种太阳能）作为资源最丰富的可再生能源，其开发利用成为近年来十分重要的研究课题。在近几年中，和传统的第三代太阳能电池组件材料相比，许多先进组件出现并用于增强电池的商业化应用，如含水电解液、塑料基底和碳质对电极。毫无疑问，先进材料将会在实现可再生能源快速发展方面起到至关重要的作用。

【成果简介】

近期，西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授（通讯作者）课题组在Journal of Power Sources上发表一篇题为“Fabrication of niobium-based oxides/oxynitrides/nitrides and their applications in dye-sensitized solar cells and anaerobic digestion”的文章。该课题组聚焦于可再生能源的综合开发与资源化利用，巧妙地将溶液法合成的氧化铌渗氮处理，成功地获得了氮化铌和氮氧化铌，进一步将这些产物应用于太阳能电池和厌氧发酵系统。在太阳能电池中，氮氧化铌表现出优异的催化活性和稳定性，取得的能量转换效率可以贵金属铂相匹配（6.36% vs. 7.19%）。在厌氧发酵系统中，这些化合物作为促进剂，对整个发酵过程中的产气量和化学需氧量等产生了显著的影响。与对照组（409.2 mL/g VS和29.55%）相比，厌氧发酵系统的累计产气量达437.1-522.7 mL/g VS，化学需氧量去除率达56.08%-65.19%。铌基化合物不仅显著地提高了催化性能，而且大大地改善厌氧发酵的发酵环境，提高底物利用率，降低沼渣沼液的危害。

【图文导读】

图1.铌基化合物的合成及双功能应用示意图

(a)铌基化合物合成示意图

(b)双功能应用示意图

图2.XRD图及FESEM图

(a)铌基化合物的XRD图

(b)NbO₂的FESEM图

(c)Nb_3.49N_4.56O_0.44的FESEM图

(d)NbN的FESEM图

图3.产物的电化学性能

(a)NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt对电极在I^-₃/I^-电解液中的CV曲线，扫描速率为50 mV/s，插图中的等式是碘化物在相应氧化峰和还原峰处的反应过程

(b)不同扫描速率下Nb_3.49N_4.56O_0.44对电极在I^-₃/I^-电解液中的CV曲线，从内到外扫描速率分别为25 mV/s、50 mV/s、75 mV/s、100 mV/s、150 mV/s和200 mV/s

(c)相应氧化还原峰处电流与扫描速率平方根之间的函数关系图

(d)Tafel极化曲线

(e)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt对电极电池各自的Nyquist图

(f)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt对电极电池各自的Bode相图

图4.对电极催化剂的电化学稳定性

(a-c)在扫描速率为50 mV/s的条件下连续循环扫描100次所得到的NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44和NbN对电极各自的CV曲线

(d)NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44对电极循环次数和最大氧化还原峰的关系图

图5.DSSCs的光伏特性

(a)一个太阳光强度(氙弧灯, 1.5 AM, 1000 W/m²)及黑暗条件下DSSCs的J-V特性曲线，对电极分别为NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt，插图是DSSC的示意图

(b)具有NbO₂, Nb_3.49N_4.56O_0.44, NbN和Pt对电极DSSCs的IPCE曲线，电池活性区域为0.16 cm²

图6.沼气产量

(a-c)厌氧发酵系统中加入不同量铌基化合物后沼气的日产量变化图

(d-f)厌氧发酵系统中加入不同量铌基化合物后沼气的累积产量图

图7.PH和COD去除率

(a-c)加入不同量铌基化合物后沼池的pH值，pH_in和pH_out分别表示沼池的初始pH值和最终pH值

(d-f)加入不同铌基化合物后沼池的COD去除率

图8.沼渣的稳定性

(a)加入最佳量的铌基发酵促进剂和控制样本后厌氧发酵系统中沼渣的TG曲线

(b)加入最佳量的铌基发酵促进剂和控制样本后厌氧发酵系统中沼渣的DTG曲线

(c)加入最佳量的铌基发酵促进剂和控制样本后厌氧发酵系统中沼渣的DSC曲线

【小结与展望】

云斯宁教授课题组的工作不仅建立了一种氮氧化物和氮化物合成的有效策略，而且实现了铌基化合物在电催化领域和生物领域的双功能应用，不但为太阳能电池开发了一种催化材料，而且为厌氧发酵开发了一种高效的生物促进剂。这项研究为现有铌基化合物的多功能起到了很好的充实作用，同时也为其它过渡金属化合物在生物领域中的应用提供了新的研究思路。

文献链接：Fabrication of niobium-based oxides/oxynitrides/nitrides and their applications in dye-sensitized solar cells and anaerobic digestion(Journal of Power Sources, 2016, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.082)

本文由材料人编辑部新能源学术组Jon【黄绵吉】供稿，感谢云斯宁老师的校对指导。

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