【材料】EnergyEnvironSci：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

EnergyEnviron.Sci.:蓝色能源燃料一通过

C02还原反应将海洋波浪能转化为液体碳燃料

【引言】

C02的电化学还原反应能将C02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

C02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典沙特KAUST的KhaledSalama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C02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C02

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

0.04m2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2.798prnoL红海上，风速为每小时18海里时,甲酸的

产量为每天0.325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&

EnvironmentalScience上。

【图文导读】

图L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

C02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

C88b

E

O66

444>

E22)

)O

OOJ

l_

uO

OJt-2Y-2Y>

n

o-Y

S

3-8

.1.8.1■0.9"0.00.30.60.91.2

Potential(Vvs.Ag/AgCI)Time(s)

(

E「

)

A

6

」

au)

山

p

a

o」

l

s

60080010001200

Time(s)Time(s)

(a)扫描速率为10mVsT时0.5MCO2饱和的

KHCO3溶液中Bi2O3包裹的阴极的CO2还原反应(蓝

色曲线)和1MKOH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

0.01-0.1F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1.9V充电至2.4V的过程中电

压和充电时间的关系。

图3.

b

VoltageCharacteristicsCurrentCharacteristicsat

atDifferentDischargeVoltagesDifferentDischargeVoltages

315

1

20

5

1Dischargefrom

(0

3.9Vto1.9V<

E15

:10

2u

a5

1u

n0

0。5

31

10

25

Dischargefrom0

2.4Vto1.9V

0-6510152005101520

Time(sec)Time(sec)

3.9V、2.9V和2.4V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

Energy(J)

Formicacidproducedpercycle

2468g

(jimol)C

oooooa

ooooooop

••一•••4•a

SO11223c

5。5O5Oi

t

o

r

D

i

s

c

h

a

r

g

e

-

r

o

m

V

o

l

t

a

g

e

(

V

L

ot

1

9.