王杰研究员、王中林院士， ACS Nano：基于摩擦纳米发电机的自驱动电解海水制氢系统

【文章信息】

基于摩擦纳米发电机的自驱动电解海水制氢系统设计及应用

第一作者：张宝峰

通讯作者：王杰*，王中林*

单位：中科院北京纳米能源与系统研究所

发展氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型，实现“碳达峰、碳中和”目标的有效探索。电解水制备氢气具有绿色、高效、纯度高等特点，能够实现化石燃料的完美替代，并且氢气燃烧的终产物为高纯淡水，可实现资源的有效循环利用。但现有的电解制氢体系存在两个亟需解决的问题：

1）几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液，这无疑加剧了淡水资源短缺问题；

​2）能耗巨大，成本超过4美元每公斤。这导致电解水制氢仅占全球氢气产量的4%。

针对上述问题，来自中科院北京纳米能源所的王杰研究员团队，在国际知名期刊ACS NANO上发表题为“Self-powered seawater electrolysis based on triboelectric nano-generator for hydrogen production”的研究。

​该研究利用纳米发电机（TENG）收集环境中的风能转化为电能，有效降低用电成本；开发的NiCoP-MOF新型电极提高了电解制氢性能及稳定性，不仅可以直接利用天然海水为电解液，破解水资源短缺的瓶颈，而且相对于以前的基于纳米发电机的自驱动电解水的最高产氢效率提升了2.3倍。本研究为大规模自驱动电解海水制氢进行了有力探索，为有效利用海洋资源实现氢能经济及“碳中和”目标提供了有效的解决方案。

图1. 自驱动电解海水制氢系统的设计及原理。

【本文要点】

要点一：摩擦材料对匹配

TENG的功率输出与其表面的电荷密度的二次方成正比，因此提高TENG的表面电荷密度是增强其功率输出的关键。本研究首次采用聚甲醛（POM）为摩擦层与聚四氟乙烯（PTFE）接触起电，实现了344.2 μC m-2的表面电荷密度。并根据前线分子轨道理论分析其电荷密度增大的起因，为后续材料选择提供了有效借鉴。

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要点二：阻抗匹配实现高效整流

TENG的高电压低电流的输出特性与电解水制氢需要大电流低电压输入相左，因此需要对TENG的输出进行整流处理。同时由于TENG的阻抗较大（MΩ级别），需要在相应的负载下实现功率输出的最大值。基于此，本研究采用阻抗匹配原理，采用变压器将TENG的电流从1.42 mA增大到54.5 mA，并且实现了92.0%的转化效率。

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要点三：直接采用天然海水为电解液

绝大多数的电解水制氢体系采用纯水为电解液制取氢气，这进一步加剧了淡水资源的紧张局面。本研究开发NiCoP-MOF催化剂提高电解制氢性能及稳定性，直接将天然海水为电解液，破解海水短缺的瓶颈，将氢气产率2.3倍提升了2.3倍，实现了1723.9 μL min-1 m-2的氢气产率。

【文章链接】

Self-powered seawater electrolysis based on triboelectric nano-generator for hydrogen production

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.2c06701

【通讯作者简介】

王杰研究员简介：研究员，博士生导师，教育部新世纪优秀人才。2008年于西安交通大学获工学博士学位，曾在中国振华电子集团有限公司做博士后研究和美国佐治亚理工学院材料系做访问学者，主要从事储能与换能纳米材料与器件、超级电容器和摩擦纳米发电机及其在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用等方面的研究。作为项目负责人主持省部级以上项目10余项。在Science Robotics、Joule、 Nature Communications、 Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters和Nano Energy等期刊发表研究论文100余篇，出版英文论著2章，获授权发明专利20余项。

【第一作者介绍】

张宝峰，男，山东省优秀毕业生，工学博士，2020年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业。主要研究方向为高性能摩擦纳米发电机及自驱动能源系统设计及优化、波浪能收集、能源存储与转化、超高倍率磷酸铁锂正极材料的制备及聚合物超级电容器设计等，主持博士后基金面上项目（2022M713110）一项，参与国家自然科学面上项目两项（51772240，51777152），陕西省重点研发计划一项（017ZDCXL-GY-08-02）。

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【课题组介绍】

自充电能源系统实验室主要从事储能与换能纳米材料与器件、超级电容器和摩擦纳米发电机及其在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用等方面的研究。以构建高性能摩擦纳米发电机器件为目标，以摩擦纳米发电机的结构设计和材料优化为手段，探索摩擦纳米发电机在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用，实验室还研究了恒流摩擦纳米发电机的机理及性能优化和应用，并在高性能、高耐久性摩擦纳米发电机的研究方面取得了重要进展。

目前，实验室主要开展以下几方面研究：

1. 摩擦纳米发电机的性能优化

2. 恒流摩擦纳米发电机

3. 储能与换能纳米材料与器件超级电容器

4. 摩擦纳米发电机在可穿戴电子产品、蓝色能源、环境治理中的应用