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天津大学&浙江大学 Adv. Sci.:微藻衍生的全负碳水伏发电机
2024-04-29  来源:高分子科技

  水伏效应可通过蒸发过程将微弱的环境能量转化为电能,近年来被广泛应用于自驱动传感、可穿戴电子器件、能源供给等领域。目前,水伏发电技术的研究多聚焦于通过材料设计来提升产电性能。然而,除产电性能外,基于水伏效应的蒸发发电机(WEG)的环境友好性需慎重考虑。与其他可再生能源技术一样,WEG的制备过程可能具有潜在的碳排放。从全生命周期计算角度分析,WEG在发电过程中的产生的碳排放可能超过耦合CCUS的传统燃煤发电技术。换句话说,WEG是否是一种清洁的能量转化技术还有待商榷。



  近期天津大学刘宪华教授、天津大学于桢助理研究员与浙江大学孙晨副研究员合作,首次提出了以藻膜为发电界面的微藻基全负碳水伏发电机(CWEG)。由于微藻在生长过程中可以利用有机碳或二氧化碳,因此,与其他WEG相比,CWEG在整个生命周期内可实现负碳产电过程。在环境湿度下,CWEG实现了约0.25V的开路电压(Voc)和3.3 μA的短路电流(Isc)。 


1 CWEG的设计理念


  全生命周期计算表明:在产生1 W s的电能时,CWEGCO2排放约为-10.4 g (2a)。由此可见,CWEG可实现负碳发电。除蓝藻外,其他微藻,包括硅藻和小球藻也可以用来制备CWEG,并取得了良好的发电性能。值得注意的是,当CWEG的功率密度从1.1 mW m?2降低到0.1 mW m?2时,CWEGCO2排放量从?93.4 g变化到?8.5 g (2b)结果表明,CWEG的功率密度越低,负碳效益越好。然而,在相同的输出性能下,CWEG的功率密度越低,发电成本越高。因此,平衡CWEGCO2排放量和成本也较为重要。


  最后,通过串联和并联操作提高了CWEG的输出性能。将50CWEG串联后,CWEG的开路电压可提升至12.6 V (2c)。同样,将50CWEG并联后,CWEG的短路电流可达0.11 mA (2b) 


(a) CWEG和其他WEG在整个生命周期内的CO2排放,及各部分在整个生命周期内的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个串联的CWEG的开路电压和50个并联CWEG的短路电流

  综上,这项工作不仅对新型水伏发电机的设计具有重要意义,还为微藻的资源化利用提供了新思路。
该工作近期以“Microalgae Film-Derived Water Evaporation-Induced Electricity Generator with Negative Carbon Emission为题发表在著名国际期刊《Advanced Science(IF =15.1)本研究得到中国博士后面上基金、国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持


  论文信息:

  第一作者:许硕

  通讯作者:刘宪华,于桢,孙晨

  通讯单位:天津大学;浙江大学

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

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