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西工大2019級(jí)博士研究生王一瑾為論文的第一作者，李炫華教授為論文的唯一通訊作者。特拉華大學(xué)魏秉慶教授、英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)安娜博士、新加坡南洋理工大學(xué)黃文靜博士為論文的共同作者。

《科學(xué)》在同期還發(fā)表了題為《電化學(xué)廢熱收集》（Electrochemical waste-heat harvesting）的觀點(diǎn)文章（perspective），重點(diǎn)報(bào)道了該研究成果。觀點(diǎn)文章中多次使用“第一步”（a first step）、“創(chuàng)記錄的熱功率表現(xiàn)”（record-high thermogalvanic performance）、“提供了基本設(shè)計(jì)原則”（provides essential design principles）和“開辟了一條令人興奮的新路線”（pioneers an exciting new route）等論述，對(duì)本項(xiàng)研究工作給予高度評(píng)價(jià)，并指出“光催化”策略對(duì)于熱化學(xué)電池器件的優(yōu)化提供了新的見解，具有重要的指導(dǎo)意義。

低品位熱能廣泛存在于環(huán)境和工業(yè)過(guò)程，例如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、以及車輛、工業(yè)、電子元器件發(fā)熱等。但由于缺乏經(jīng)濟(jì)高效的能源回收技術(shù)，該部分能量基本被廢棄。傳統(tǒng)的熱電技術(shù)在熱功率方面存在限制，通常僅能提供較低的熱功率。為了克服這一限制，熱化學(xué)電池被提出并作為一種有效的替代品，可以提供更高的熱功率，達(dá)到每度每毫伏（mV/K）的水平。根據(jù)理論分析，熱功率與氧化還原離子之間的熵差（ΔS）以及電池冷熱兩端的離子濃度差（ΔC）有關(guān)。因此，如何提高ΔS和ΔC成為解決熱化學(xué)電池的關(guān)鍵核心。過(guò)去10年，諸多研究團(tuán)隊(duì)圍繞該問題開展了大量相關(guān)研究，目前科學(xué)家已經(jīng)有效解決了ΔS受限的問題。遺憾的是，迄今為止，都沒有找到一個(gè)有效的方法，實(shí)現(xiàn)在熱化學(xué)電池中構(gòu)建大ΔC，導(dǎo)致熱功率只有3.7 mV K^–1。究其原因在于，氧化還原離子對(duì)的濃度梯度在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，很容易自發(fā)衰減。面對(duì)這一問題，李炫華團(tuán)隊(duì)通過(guò)學(xué)科交叉思想，基于熱化學(xué)電池和光催化都使用氧化還原離子對(duì)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)設(shè)想：是否可以通過(guò)光催化的方法來(lái)原位提高熱化學(xué)電池離子的濃度差，并巧妙“共享”兩種氧化還原離子對(duì)，從而增強(qiáng)熱功率的輸出？這一設(shè)想基于對(duì)熱化學(xué)電池和光催化的深入理解，通過(guò)將光催化和熱化學(xué)電池交叉融合，有望創(chuàng)制出全新的熱電系統(tǒng)，以提升器件性能。

圖1：光催化增強(qiáng)熱化學(xué)電池的機(jī)理圖。 A 熱化學(xué)電池工作機(jī)理圖；B和C 光催化原位增強(qiáng)熱化學(xué)電池機(jī)理圖

為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)想，李炫華團(tuán)隊(duì)采用鐵氰根（FeCN^3-）和亞鐵氰根（FeCN^4-）離子作為氧化還原電對(duì)，聚丙烯酸水凝膠作為基體。在光照下，熱端產(chǎn)氧催化劑促進(jìn)了FeCN^3-到FeCN^4-轉(zhuǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生氧氣。冷端產(chǎn)氫催化劑促進(jìn)了FeCN^4-到FeCN^3-轉(zhuǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生氫氣。熱端高濃度的FeCN^4-在熱力學(xué)上增強(qiáng)了FeCN^4-到FeCN^3-的氧化反應(yīng)，使得更多的電子轉(zhuǎn)移到熱電極上；而冷端附近高濃度的FeCN^3-在熱力學(xué)上增強(qiáng)了FeCN^3-到FeCN^4-的還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)從冷電極吸引更多的電子(圖1)。通過(guò)兩個(gè)氧化還原離子的協(xié)同優(yōu)化，成功獲得了8.2 mV K^–1的熱功率，是當(dāng)前最高值的2倍；同時(shí)，系統(tǒng)的太陽(yáng)能到氫能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.4%（圖2）。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)由36個(gè)單元組成的大面積光催化增強(qiáng)熱化學(xué)電池 (112平方厘米)，并在中國(guó)西安進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。在室外光照6小時(shí)后，產(chǎn)生了4.4伏的開路電壓和20.1毫瓦的功率，同時(shí)產(chǎn)生0.5毫摩爾的氫氣和0.2毫摩爾的氧氣。這使得系統(tǒng)能夠滿足小型電子設(shè)備對(duì)電能的需求，同時(shí)也為氫能的產(chǎn)生提供了一種綠色、高效的解決方案。這些優(yōu)勢(shì)使得光催化熱電技術(shù)為未來(lái)能源轉(zhuǎn)換和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持，多元化的能源利用為未來(lái)科技的發(fā)展提供了更多的可能性。

圖2：光催化增強(qiáng)熱化學(xué)電池的示意圖

本項(xiàng)研究自2020年開始，在研究過(guò)程中課題也面臨了一系列困難，包括熱電系統(tǒng)的搭建、氧化還原介質(zhì)的選擇、匹配催化劑的選擇、電極的選擇，以及文章的構(gòu)思和撰寫等。為了克服這些困難，課題組充分發(fā)揮光催化和鈣鈦礦領(lǐng)域成員的專業(yè)知識(shí)和技能，并得到了材料學(xué)院和納米能源材料研究中心同事的幫助支持。此外，與同領(lǐng)域的研究者和實(shí)驗(yàn)室合作，共享資源和經(jīng)驗(yàn)，共同解決實(shí)驗(yàn)中遇到的關(guān)鍵問題。這種緊密合作和知識(shí)交流的方式幫助克服了許多技術(shù)和實(shí)驗(yàn)上的困難，推動(dòng)了研究的進(jìn)展。最終，此項(xiàng)研究成果成功發(fā)表，為清潔能源領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作交流項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，陜西省杰出青年基金，深圳市科創(chuàng)委重點(diǎn)項(xiàng)目，西北工業(yè)大學(xué)310項(xiàng)目，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題、測(cè)試中心的資助支持。該研究的有效開展離不開西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院納米能源材料研究中心的平臺(tái)支持。中心成立于2014年，受到了學(xué)校和學(xué)院的大力支持，是學(xué)校首批建設(shè)的人才特區(qū)，依托我校材料“雙一流”重點(diǎn)學(xué)科，目前已組建了具有多學(xué)科背景的高素質(zhì)師資隊(duì)伍，凝練了具有特色的研究方向，產(chǎn)出了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的科研成果。

長(zhǎng)期以來(lái)，李炫華教授團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略重大需求，系統(tǒng)開展光催化氫能制造與太陽(yáng)能電池相關(guān)研究。同時(shí)，針對(duì)國(guó)家在航空、航天、航海領(lǐng)域新能源的特殊需求，通過(guò)材料、原理、器件的原始創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了規(guī)?；⒅悄芑约岸喙δ芑臍淠芘c太陽(yáng)能集成設(shè)備。目前，李炫華教授主持國(guó)家、省部級(jí)等各類項(xiàng)目10余項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利27項(xiàng)，以第一作者或通訊作者在《科學(xué)》（Science）,《自然·能源》（Nature Energy），《自然·通訊》（Nature Communications）, 《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）等國(guó)際期刊發(fā)表論文100余篇。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步圍繞光催化熱電系統(tǒng)集成和光催化氫能制造在能源多元化利用方面開展研究。