《Science》發表周軍教授團隊熱化學電池研究進展

作者: 时间:2020-09-11 点击数:

 9月11日,國際著名期刊《科學》(Science)以First Release的形式刊发了光學與電子信息學院副院長、武漢光電國家研究中心副主任周军教授团队最新研究进展“Thermosensitive-crystallization boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”。该研究工作第一署名单位为华中科技大学武漢光電國家研究中心,博士生余帛阳、段将将副教授为共同第一作者,周军教授为通讯作者。此外,论文合作者还包括武汉大学化学与分子科学学院丛恒将副教授、周军教授团队多名研究生(谢文科、柳容、庄欣妍、王卉、齐备)、华中科技大学材料科学与工程学院徐鸣教授,以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士等(图1)。



图1 发表信息


低品位熱能(<100℃)廣泛存在于自然環境和工業生産過程中,包括環境熱(太陽光熱、地熱)、工業廢熱以及人體熱等,但由于缺乏經濟高效的能源回收技術,該部分能量基本被廢棄。水系熱化學電池被認爲是一種低成本、易放大的熱電轉換技術。據預測,熱化學電池的相對卡諾循環效率若達到5%以上即有望實現商業化應用,但至今仍無法跨過這一門檻(此前最高相對卡諾循環效率爲~3.95%)。水系熱化學電池相對卡諾循環效率與塞貝克系數、熱導率以及電導率三個參數緊密關聯。例如,增大塞貝克系數、提高電導率或降低熱導率均可提升電池轉化效率。然而,這三個參數之間強耦合,難以實現協同優化,使得熱化學電池效率的提升存在巨大挑戰。在前期研究工作中,周軍教授團隊以K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6水系热化学电池基准体系作为研究对象,通过特异性配体协同调控氧化还原对溶剂化结构,获得了热化学电池领域最高塞贝克系数4.2 mV K-1Nat. Commun.2018, 9, 5146)。在此工作基础上,该团队提出利用热敏性晶体材料诱导可持续离子浓度梯度的科学思想(图2A),实现了塞贝克系数和有效热导率的协同优化,获得了目前热化学电池领域最高相对卡诺循环效率11.1%(图2B)。



图2 低成本、高效热化学电池(A)热敏性结晶材料诱导可持续溶度梯度示意图;(B)本工作与文献报道相对卡诺循环效率比较图;(C)器件模组为智能手机充电,左上插图为器件模组的光学照片。


通常,在封閉體系下離子濃度梯度爲不可持續的熱力學非平衡態,必然會通過自發擴散過度到離子均勻分布的熱力學平衡態。該團隊發現,胍離子與亞鐵氰根離子結合會形成一種全新的熱敏性晶體材料——亞鐵氰鉀胍水合物(K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6·6H2O)。该材料具有低的晶格能以及高的溶解熵,展现出优异的溶解度温敏性。由于热敏性晶体材料的引入,在有温差存在的情况下,可以在器件的热冷两端形成稳定的亚铁氰根离子浓度梯度。例如,在50℃温差条件下,亚铁氰根离子浓差可达47倍,相应塞贝克系数从基准体系的1.4 mV K-1提升至3.73 mV K-1。此外,由于器件熱端還存在大量未溶解的晶體沈澱物,從而可極大地抑制溶液對流,大幅降低有效熱導率。基于以上兩點原因,實現了熱化學電池相對卡諾循環效率的大幅度提升。進一步地,該團隊還開發出熱化學電池模組原型,在50℃溫差條件下驅動了多種商業化電子器件,並實現爲智能手機充電(圖2C),證實水系熱化學電池具有廣闊的應用前景。


该研究工作受到国家自然科学基金(51672097)、中组部青年拔尖人才支持计划、华中科技大学学术前沿青年团队、武漢光電國家研究中心主任基金等经费支持。在研究过程中,还得到了复旦大学许宁生院士、中山大学邓少芝教授、武汉大学邓鹤翔教授、华中科技大学唐江教授、同济大学裴艳中教授和美国加州大学洛杉矶分校陈俊助理教授等人的帮助。


論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd6749?rss=1


来源:武漢光電國家研究中心


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