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天津大學&浙江大學 Adv. Sci.：微藻衍生的全負碳水伏發電機

2024-04-29 來源：高分子科技

水伏效應可通過蒸發過程將微弱的環境能量轉化為電能，近年來被廣泛應用于自驅動傳感、可穿戴電子器件、能源供給等領域。目前，水伏發電技術的研究多聚焦于通過材料設計來提升產電性能。然而，除產電性能外，基于水伏效應的蒸發發電機（WEG）的環境友好性需慎重考慮。與其他可再生能源技術一樣，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在發電過程中的產生的碳排放可能超過耦合CCUS的傳統燃煤發電技術。換句話說，WEG是否是一種清潔的能量轉化技術還有待商榷。

近期，天津大學劉憲華教授、天津大學于楨助理研究員與浙江大學孫晨副研究員合作，首次提出了以藻膜為發電界面的微藻基全負碳水伏發電機（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在整個生命周期內可實現負碳產電過程。在環境濕度下，CWEG實現了約0.25V的開路電壓（V_oc）和3.3 μA的短路電流（I_sc）。

圖1 CWEG的設計理念

全生命周期計算表明：在產生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“負碳發電”。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，通過串聯和并聯操作提高了CWEG的輸出性能。將50個CWEG串聯后，CWEG的開路電壓可提升至12.6 V (圖2c)。同樣，將50個CWEG并聯后，CWEG的短路電流可達0.11 mA (圖2b)。

圖2 (a) CWEG和其他WEG在整個生命周期內的CO₂排放，及各部分在整個生命周期內的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個串聯的CWEG的開路電壓和50個并聯CWEG的短路電流

綜上，這項工作不僅對新型水伏發電機的設計具有重要意義，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、國家自然科學基金與國家重點研發計劃的支持。

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；浙江大學

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

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（責任編輯：xu）

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