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《化学会评论》发表福建物构所“电化学中和能”理论及应用研究进展(Tutorial Review)
更新日期:2020-12-22  

  

  开发持续可再生清洁能源对减少化石燃料的依赖和缓解全球气候变化具有重要意义。水系电化学能源系统在成本、离子迁移速率、安全性等方面具有明显优势,近年来受到广泛关注。然而,水系电化学能源体系仍面临诸多挑战。一方面,由于水的电化学稳定窗口理论上只有1.23 V,其狭窄的电化学窗口限制了水系电池和超级电容器等充放电器件的工作电压和能量密度;另一方面,水系电解用于电解合成(如电解水制氢)能耗较高。

  针对上述科学问题,中国科学院功能纳米结构设计与组装/福建省纳米材料重点实验室温珍海研究团队近年来在水系电化学能源体系开展了系列创新性地探索研究,通过设计具有pH敏感效应的阴、阳极反应,构建具有“混合碱/酸电解液”的电化学体系,将酸碱中和反应的热能以电能(电化学中和能)的形式进行收集,能够突破传统水系电化学能源体系的性能瓶颈:一方面可以优化阴、阳极电化学反应的pH环境,另一方面可以拓宽水系电池的工作窗口(>1.23 V)以提高电池能量密度,或者降低电解合成过程所需施加的电压以减少电耗。

  近日,在福建物构所建所60周年之际,温珍海研究员带领的研究团队在国际综述学术期刊Chemical Society Reviews发表题为Electrochemical Neutralization Energy: From Concept to Devices的指导类综述论文(Tutorial Review),在综述论文中对“电化学中和能”的这个概念进行了全面的阐述,发展并完善了“电化学中和能”的理论体系:1) 对“电化学中和能”的概念作了明确定义,并对其本质进行了剖析和讨论; 2) 首次提出有效收集“电化学中和能”混合碱/酸体系的基本要素;3) 提出混合碱/酸的电化学体系在电能与化学能的相互转化过程中的“媒介”效应,将其应用在电化学能源转化中,为研发高性能的电化学能源器件开辟了新途径;4) 首次总结了该研究领域所存在的关键科学问题和技术难题,并展望了该体系在制造、环境与能源等研究领域的前景。该论文的第一作者是福建物构所丁义纯副研究员,通讯作者为温珍海研究员。

  此外,该课题组近期在pH敏感电催化及混合电化学能源体系领域(电解合成与电池)取得了系列成果(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202012017Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 20112; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3244; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3910Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 4858Energy Environ. Sci., 2020, 8, 3431; Adv Energy Mater., 2019, 9, 1901533; Appl. Catal. B: 2020, 277, 119178; Appl. Catal. B: 2021, 280, 119412; Nano Energy, 2019, 61, 576-583; Sci. China Chem., 2019, 62, 385; J. Power Sources, 2019, 428, 37; J. Mater. Chem A, 2018, 6, 4948)。该系列工作受到国家自然科学基金、中科院仪器研制项目、及福建省引导性项目等项目的资助。

  论文链接: Chem. Soc. Rev. 2020, DOI: 10.1039/D0CS01239D, https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/CS/D0CS01239D

  (温珍海课题组供稿)