2023年7月21日，西北工业大学李炫华教授团队在Science上以“In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production”为题报道了一种光催化增强的热电电池，该电池将原位热电转换与水分解相结合，促进了电力和氢气的产生，这种方法有望改善太阳能和其他废热源的利用。
李炫华，材料学院教授，博士生导师，伦敦玛丽女王大学客座教授，国家文物局重点科研基地副主任，陕西省重点科技创新团队负责人。主要从事纳米光电材料和文物保护材料研究。主持国家自然科学基金等10余项科研项目。以第一作者或通讯作者在Chem.Soc.Rev. Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表论文45篇, 4篇入选ESI Top1%高被引论文，SCI他引总频次1350次，单篇最高他引452次。入选第四批万人计划青年拔尖人才、陕西省“特支计划”青年拔尖人才、陕西省青年科技新星、西北工业大学“翱翔青年学者”。主要研究方向为：半导体光电纳米材料与器件、薄膜太阳能电池材料与器件、金属纳米材料与等离子体光学传感器等。
李炫华教授今年已经在Nature Energy和Nature Communications连发了3篇文章阐述提高光吸收器件的效率的策略，且指明许多用于整体水分解的光催化系统都存在电荷载流子分离不良的问题。
收集废热（例如，太阳辐射，或来自工业过程或人体）对于碳中和和可持续发展至关重要。不幸的是，大多数废热分布在环境温度附近，这使得需要大温差的传统热机无法接近。
基于两个不同温度的电极的氧化还原反应，可以使用称为热电电池的电化学装置进行连续废热收集，具有经济实惠，可扩展和环保的特性。然而，有限的热电转换效率是实际应用的关键挑战。
在此，西北工业大学李炫华教授等人报告了一种原位光催化增强热电器件的设计，该器件可以将热功率提高到8.2 mV K-1，并提供高达0.4%的太阳能制氢（STH）效率（图1B）。
其中，一种O2-析出光催化剂（OEP）有助于FeCN3-向FeCN4-的正向反应，且促进了H2O到O2产量，从而导致热侧FeCN4-浓度较高。同时，H2演化光催化剂（HEP）将FeCN4-转化为FeCN3-，并促进了水产生H2，增加了冷侧FeCN3-的数量。
此外，高局部浓度的FeCN4-附近热侧热力学增强氧化反应FeCN4-→FeCN3-，更多的电子转移到热电极，而高局部浓度的FeCN3-附近冷侧热力学增强还原反应FeCN3-和FeCN4-更多的电子从冷电极，使连续反应产生高电压。
随着光催化反应的进行，体系内也形成了H+浓度梯度。因此，通过增强FeCN4-、FeCN3-、H+的DC和改进的DS，进一步增强了光催化增强的TGC的热电势。
相关文章以“In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production”为题发表在Science。
热能（高于环境温度0°至100°的热量）来自各种自然和工业过程，包括太阳能和地热能、运输、制造、电子和生物实体。
通过使用热电技术与太阳能照明相结合，可以将热量转换为电能，但传统的热电技术受到其微伏/开尔文的低热功率的限制。热电和热扩散电池是两种选择，可提供每度毫伏的高热功率，并启用将热能直接转化为电能的可扩展路线。
据报道，基于离子热扩散效应的热扩散池具有24 mV K-1的可观热功率，但是它们的不连续电输出使它们在实际应用中不可靠。相比之下，热电电池（TGC）通过在温差（ΔT）下工作来产生连续的电力，这在实际应用中具有希望。以前的研究报告了3.7 mV K-1的热功率和归一化功率密度，从理想的实验室加热器和冷却板提供的热量中获得。
热功率与氧化还原离子之间的溶剂依赖性熵差（ΔS）和热侧和冷侧之间氧化还原离子的浓度差异（ΔC）有关。热功率可以通过增加氧化还原离子的ΔS来增强。
然而，由于氧化还原离子自发扩散到均相状态，这些TGC的ΔC在热力学上不稳定并降低到接近零。因此，为冷热侧之间的氧化还原离子构建高且连续的ΔC并解释固有的ΔC调制机理构成了巨大的挑战。
图1. 原位光催化增强了TGC中氧化还原离子的浓度梯度
图2. TGC和Ov-WO3/TGC/Sv-ZIS的热电性能
总的来看，本文的工作还开创了一条全新的路线，利用废热来改进光电化学系统。值得注意的是，只有一部分太阳光谱可用于光催化过程，而大多数波长的辐射以热量的形式损失。
尽管已经开发了热化学反应和太阳能热电发电机来帮助合成太阳能产生的燃料，但它们的高工作温度（数百开尔文）需要额外的太阳能聚光器。
相比之下，氧化还原耦合的热电转换可以直接利用光电化学系统中的近环境温度太阳热量，这些系统也很容易原位集成。此外，原位热电转换不仅有可能使太阳能热能，而且有可能使无处不在的环境热能增强电力和燃料生产的光电化学系统。
与传统的热电技术不同，热电转换的核心材料氧化还原偶也用于广泛的能源化学领域，如光催化、染料敏化太阳能电池、氧化还原液流电池和电化学过程，为原位余热收集和更高效的能量转换奠定了基础。
本文的工作标志着朝着这个方向迈出的第一步，对这种多场耦合能量转换的更多关注应探索新的协同机制，并将广泛研究基础材料的性能，共同为更可持续的能源未来做出贡献。
Yijin Wang, Youzi Zhang, Xu Xin, Jiabao Yang, Maohuai Wang, Ruiling Wang, Peng Guo, Wenjing Huang, Ana Jorge Sobrido, Bingqing Wei, and Xuanhua Li, In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0164
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