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天津大學(xué)&浙江大學(xué) Adv. Sci.：微藻衍生的全負碳水伏發(fā)電機
2024-04-29  來源：高分子科技

  水伏效應(yīng)可通過蒸發(fā)過程將微弱的環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能，近年來被廣泛應(yīng)用于自驅(qū)動傳感、可穿戴電子器件、能源供給等領(lǐng)域。目前，水伏發(fā)電技術(shù)的研究多聚焦于通過材料設(shè)計來提升產(chǎn)電性能。然而，除產(chǎn)電性能外，基于水伏效應(yīng)的蒸發(fā)發(fā)電機（WEG）的環(huán)境友好性需慎重考慮。與其他可再生能源技術(shù)一樣，WEG的制備過程可能具有潛在的碳排放。從全生命周期計算角度分析，WEG在發(fā)電過程中的產(chǎn)生的碳排放可能超過耦合CCUS的傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)。換句話說，WEG是否是一種清潔的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)還有待商榷。



  近期，天津大學(xué)劉憲華教授、天津大學(xué)于楨助理研究員與浙江大學(xué)孫晨副研究員合作，首次提出了以藻膜為發(fā)電界面的微藻基全負碳水伏發(fā)電機（CWEG）。由于微藻在生長過程中可以利用有機碳或二氧化碳，因此，與其他WEG相比，CWEG在整個生命周期內(nèi)可實現(xiàn)負碳產(chǎn)電過程。在環(huán)境濕度下，CWEG實現(xiàn)了約0.25V的開路電壓（Voc）和3.3 μA的短路電流（Isc）。 


圖1 CWEG的設(shè)計理念


  全生命周期計算表明：在產(chǎn)生1 W s的電能時，CWEG的CO2排放約為-10.4 g (圖2a)。由此可見，CWEG可實現(xiàn)“負碳發(fā)電”。除藍藻外，其他微藻，包括硅藻和小球藻也可以用來制備CWEG，并取得了良好的發(fā)電性能。值得注意的是，當CWEG的功率密度從1.1 mW m?2降低到0.1 mW m?2時，CWEG的CO2排放量從?93.4 g變化到?8.5 g (圖2b)。該結(jié)果表明，CWEG的功率密度越低，負碳效益越好。然而，在相同的輸出性能下，CWEG的功率密度越低，發(fā)電成本越高。因此，平衡CWEG的CO2排放量和成本也較為重要。


  最后，通過串聯(lián)和并聯(lián)操作提高了CWEG的輸出性能。將50個CWEG串聯(lián)后，CWEG的開路電壓可提升至12.6 V (圖2c)。同樣，將50個CWEG并聯(lián)后，CWEG的短路電流可達0.11 mA (圖2b)。 


圖2 (a) CWEG和其他WEG在整個生命周期內(nèi)的CO2排放，及各部分在整個生命周期內(nèi)的CO2排放比例；(b)不同功率密度(PD) CWEG的制造成本和CO2排放；(c) 50個串聯(lián)的CWEG的開路電壓和50個并聯(lián)CWEG的短路電流

  綜上，這項工作不僅對新型水伏發(fā)電機的設(shè)計具有重要意義，還為微藻的資源化利用提供了新思路。
該工作近期以“Microalgae Film-Derived Water Evaporation-Induced Electricity Generator with Negative Carbon Emission”為題發(fā)表在著名國際期刊《Advanced Science》(IF =15.1)。本研究得到中國博士后面上基金、國家自然科學(xué)基金與國家重點研發(fā)計劃的支持。


  論文信息：

  第一作者：許碩

  通訊作者：劉憲華，于楨，孫晨

  通訊單位：天津大學(xué)；浙江大學(xué)

  https://doi.org/10.1002/advs.202400856

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