蓝色能源：通过 CO₂ 还原将海洋波浪能转化为碳基液体燃料 - 海洋生物燃料技术

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背景介绍

当今世界化石燃料的日益枯竭和 CO2 的大量排放引发能源危机和气候变化，驱动人们发展可替代传统化石能源的清洁能源技术。地球表面的 71% 被海洋所覆盖，海洋波浪能具有能量密度高、分布范围广、可持续利用、受天气影响小等优势。有数据表明海洋波浪能每年可产生至少 8 万亿度电，是一种极具潜力的解决能源与环境危机的可再生能源。对海洋波浪能的开发和利用主要是通过能量转换装置将波浪能的机械能转化为电能。然而目前波浪能的研究主要受到以下几方面因素的制约：1) 远离海岸，产生的电能难以并入电网；2) 严峻天气或海水的腐蚀会破坏发电装置，增加成本；3) 传统的能量转换装置一般为电磁发电机，笨重且不能浮动，需要支撑平台或固定在海底，会干扰到海洋生物的生命活动。为了解决现有波浪能能量转化技术的难题，本文研究团队利用摩擦纳米发电机（TENG）将波浪的机械能转化为电能，再通过 CO2 电还原反应生成液体燃料甲酸，将能量最终以化学能形式储存。

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本文亮点

I 利用摩擦纳米发电机将波浪能转化为电能；

II 引入能量管理电路，优化波浪能驱动 CO2 还原系统的电学参数；

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III 利用 CO2 还原反应将能量最终转化为化学能（甲酸燃料的合成）。

图文解析

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图 1. 波浪能驱动 CO2 电还原系统的实验装置示意图。该系统主要由 3 部分组成：① 球状摩擦纳米发电机；② 由整流器和超级电容器组成的能量储存管理电路；③ 两电极体系的电化学反应池，阴极反应为 CO2 +2H++2e→HCOOH，阳极反应为 2OH-+4h+→O2+2H+。

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研究团队设计的摩擦纳米发电机（TENG）利用摩擦起电和静电感应，能够灵敏地收集转化波浪中的机械能，其结构简单，质量轻便，可在水面上漂浮，能够减小对海洋环境的影响，同时具有很高的能量转化效率和能量输出，适合大规模部署。TENG 将波浪能的机械能转化为电能之后，外接电路板中的整流器将产生的交流电转化为直流电，再通过超级电容器充电过程实现电能的储存。能量管理体系中的超级电容器主要起到两个关键的作用，既能作为摩擦纳米发电机的储能器，同时为后续 CO2 电还原提供稳定的电力输出。最后由电容器为电化学反应池提供稳定的电压输入，将 CO2 还原生成甲酸，实现波浪能-电能-化学能的转化。

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图 2. （a）CO2 线性扫描曲线；（b）摩擦纳米发电机为不同电容的电容器充电过程电压随时间变化曲线；（c）摩擦纳米发电机为不同电容的电容器充电过程储存能量随时间变化曲线和（d）摩擦纳米发电机为 0.01F 的超级电容器充电过程电压随时间变化曲线。

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波浪能驱动 CO2 还原系统的能量转化效率主要由能量管理系统的参数决定，其中包括储存 TENG 产生电力的储能器的电容及 CO2 电还原体系的操作电压。超级电容器的电容为 0.01F 时摩擦发电机产生的电能储能效率最高。

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图 3. 电容器放电电压分别为 3.9，2.9 和 2.4V 时（a）甲酸的法拉第效率；（b）每个循环和每天的甲酸产率和（c）机械能到生成的甲酸能量转化效率。

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最佳的电化学还原体系操作电压 2.4 V 时，CO2 转化为甲酸的法拉第效率可接近 100%，此时获得最高的甲酸产率为 2.798 μmol/ 天。

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图 4. （a）波浪能驱动 CO2 还原系统现场测试照片和（b）不同风速下甲酸产量。波浪能驱动 CO2 还原系统在红海中实际测试，甲酸的产率主要受到风速的影响，当风速达到 18 节时甲酸产率可达 0.325 μmol/ 天。

总结

该研究工作设计制作了一个波浪能驱动的 CO2 电化学还原系统，其工作原理是摩擦纳米发电机将波浪的机械能转化为电能并储存在超级电容器中，再将储存的电能应用于 CO2 电化学还原生成液体燃料甲酸。通过能量管理即优化电容器的充电过程和电化学反应的操作电压，可以实先最优的能量储存效率和最高的甲酸产率。研究数据表明：在 0.04 m2 水面收集的波浪能，在电容器放电电压设置为 2.4 V 时 CO2 转化为甲酸的法拉第效率可接近 100%，每天甲酸的产率可达 2.798 μmol。在红海中的场测试证明了该系统能够将波浪能有效转化为液体燃料的可行性。

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论文信息

4 M) p: P" x- N' S# t

Blue energy fuels: converting ocean wave energy to carbon-based liquid fuels via CO2 reduction

Siu-Fung Leung, Hui-Chun Fu, Maolin Zhang, Ali H. Hassan, Tao Jiang, Khaled N. Salama, Zhong Lin Wang and Jr-Hau He*（何志浩，香港城市大学）

Energy Environ. Sci. - h$ q; I. z6 R

, 2020

http://dx.doi.org/10.1039/C9EE03566D / U, v0 Q% y. M# c1 |" v9 X. J

1 ]' }/ e5 j9 |' J0 u

论文作者

第一作者

7 Q" p7 r) o4 X& b3 M9 U0 I( Z

Siu-Fung Leung

5 {6 X) w4 {6 y: k* Z2 p

阿卜杜拉国王科技大学

8 P. x/ C" w. Y3 D

通讯作者

何志浩（Jr-Hau He）教授

香港城市大学

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注：本新闻为 RSC  “宅家读文献，分享赢奖励” 活动参赛作品，感谢稿件作者同意 RSC China 微信官方公众号对外发布。

关于 Energy Environ. Sci

A journal linking all aspects of the chemical, physical and biotechnological sciences relating to energy conversion and storage, alternative fuel technologies and environmental science 5 u5 }% p" a$ w6 T. Z

Energy & Environmental Science

IF: 33.250 * 4 v# e5 K6 U8 W

该刊致力于发表非常重要、非常高质量的权威性研究工作，以应对能源供应和环境保护方面的全球性重大挑战。鉴于能源转换和存储、替代燃料技术和环境科学相关问题与挑战的复杂性，本刊的发文范围广泛，但都必须与能源环境问题有所关联，并且应能引起广大读者的广泛关注。所发表论文的主题既包括具有重大影响的基础研究，也涵盖了横跨（生物）化学、（生物／地球）物理科学和化学工程学的跨学科研究和分析工作。

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Chair

4 Y/ b! `4 _+ S9 L n

Joseph HuppNorthwestern University, USA

Editorial board members

! c+ I z& m8 ?( s& T

Xinhe BaoDalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, China

' h U% G/ N$ F& }% b, I# h s! ?( e

包信和，中国科学院大连化学物理研究所

Sally BensonStanford University, USA

James DumesicUniversity of Wisconsin-Madison, USA

0 M$ Q1 Y+ Q5 J2 q

Wolfgang LubitzMax Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Germany

Linda NazarUniversity of Waterloo, Canada

Jenny NelsonImperial College London, UK

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Jens NørskovTechnical University of Denmark, Denmark

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Yang Shao-HornMIT, USA

Kyung Byung YoonSogang University, Korea

Scope

5 t R% t8 v# w. N

Energy & Environmental Science is an international journal dedicated to publishing exceptionally important and high quality, agenda-setting research tackling the key global and societal challenges of ensuring the provision of energy and protecting our environment for the future.

The scope is intentionally broad and the journal recognises the complexity of issues and challenges relating to energy conversion and storage, alternative fuel technologies and environmental science. For work to be published it must be linked to the energy-environment nexus and be of significant general interest to our community-spanning readership. All scales of studies and analysis, from impactful fundamental advances, to interdisciplinary research across the (bio)chemical, (bio/geo)physical sciences and chemical engineering disciplines are welcomed.

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Topics include, but are not limited to, the following:

; Y5 ]7 I0 Y6 ~' ]

Solar energy conversion and photovoltaics

/ p! C g/ {8 f" Q- h" z

Solar fuels and artificial photosynthesis

Fuel cells

M7 K f/ T. z% b$ V0 e. v

Hydrogen storage and (bio) hydrogen production

; c+ G7 F/ L9 J: s4 x9 ~

Materials for energy systems

Capture, storage and fate of CO2, including chemicals and fuels from CO2

3 a. T' \7 t7 d8 ~' l8 Y. A3 B

Catalysis for a variety of feedstocks (for example, oil, gas, coal, biomass and synthesis gas)

6 f% f2 y: T3 r+ v5 X

Biofuels and biorefineries

Materials in extreme environments

9 Y9 u; c4 p- e% ] Z G) b; D8 S8 Q

Environmental impacts of energy technologies

* j2 _9 m$ f9 Q4 W

Global atmospheric chemistry and climate change as related to energy systems

, m1 z6 T; Y0 T Y

Water-energy nexus

Energy systems and networks

Globally applicable principles of energy policy and techno-economics

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