太阳光谱选择性吸收涂层

太阳能作为最重要的可再生新型能源,具有储量巨大、分布广泛以及清洁安全等诸多优势,研究太阳能利用技术具有丰富能源结构、降低环境污染、优化资源配置等重要意义,其中太阳能光-热转换是实现太阳能直接利用的最简单高效的方式。本文简要地介绍了太阳能新能源的重要性与优缺点,系统地论述了近年来在太阳能光-热转换材料中应用最广泛的太阳能集热器用选择性吸收涂层的研究进展,主要针对选择性吸收涂层的基本类型、作用机制及其国内外最新研究成果进行了较为全面地分析。最后,指出了太阳能选择性吸收涂层存在的主要问题并展望了其未来发展前景。     

太阳能甲烷重整反应中的催化活性吸收体

太阳能甲烷重整反应可实现太阳能的高温蓄存和天然气资源的优化利用而备受关注,催化活性吸收体是进行太阳能吸收利用和甲烷催化重整的关键而成为太阳能甲烷重整反应研究的热点。本文在简述催化活性吸收体构成的基础上,结合重整反应器/接收器的发展,具体介绍了以多孔氧化铝和碳化硅陶瓷、泡沫金属及管状阵列陶瓷（＂porcupine＂）为基...     

太阳能海水脱盐中光热材料与蒸发装置的研究进展

用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点,受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同,太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面,无需从底部加热整体水来产生蒸汽,极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能;探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上,总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展,展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。     

双碳目标下太阳能制氢技术的研究进展

“双碳目标”的实现需要精准的政策引导和开发可替代的清洁能源. 近年来, 氢能由于具有来源丰富、热值高、清洁低碳、应用场景多样等特点, 受到了学者们越来越多的关注. 在传统制氢技术中, 化石燃料制氢技术应用最为广泛, 但其制氢反应过程造成的能耗和温室气体释放量较大. 而光催化分解水制氢技术是将太阳能转换为氢能, 将太阳能以化学能的形式储存起来, 这样不仅能利用太阳能制取氢气, 而且可以将氢能与CO₂结合起来生产高附加值的化学品, 在减少碳排放的同时, 实现碳氢资源的综合利用. 综述了可实现太阳能制氢的光催化制氢(PC)、光电催化制氢(PEC)和光伏电催化耦合制氢(PV-EC)技术的研究进展, 阐释了相关技术的基本原理, 介绍了制氢技术中的关键材料, 对三种制氢技术发展过程中太阳能制氢(STH)转化效率、材料稳定性的相关研究进行了详细总结. 最后对三种太阳能制氢技术面临的关键挑战和未来发展方向进行了探讨和展望.     

太阳能光热化学分解CO_2和H_2O的研究进展

利用太阳能作为能量来源,将CO2和H2O直接转化为化学燃料,既可降低大气中的CO2浓度,又能将太阳能转变为易于储存与运输的化学燃料,对低碳减排以及太阳能利用均具有重要意义.其中太阳能光热化学转化方式可以利用整个太阳能能谱,理论上具有较高的能量转换效率,逐渐受到国际社会的关注.本文简要综述近年来这一研究领域的一些重要进展,总结本课题组在热化学法分解CO2和H2O方面取得的最新结果,对太阳能光热化学转化CO2和H2O的未来发展进行展望.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

太阳能热电耦合合成苯甲酸

通过恒电位电解甲苯实现了苯甲酸的太阳能热电耦合合成,考察了电极材料、反应温度及电解电压对苯甲酸合成的影响.采用气相色谱、红外光谱和紫外光谱对电解产物进行分析检测,证实了太阳能热电氧化甲苯的主要产物为苯甲酸.实验结果表明,以石墨作为阳极材料,反应温度为90℃,电解电压为2.0 V时,氧化甲苯合成苯甲酸的产率可达51.6%.     

低蒸发焓水凝胶用于太阳能驱动水净化

日益严重的水资源短缺和水体污染引发了人们对先进水净化技术的研究兴趣。太阳能驱动的界面蒸发利用清洁的太阳能来分离水和杂质,被认为是解决缺水和污染最环保、经济的技术。低蒸发焓水凝胶基光热转换材料由于其高蒸发速率、可加工性、可控性和多功能性,成为最有潜力的太阳能蒸发器材料。首先,本综述回顾了水凝胶的关键概念,这些概念证明了其在太阳能驱动的界面蒸发系统中的优势,如快速水传输和低蒸发焓;其次,总结了水凝胶的制备方法包括引入的光热材料以及水凝胶的设计策略,以提高水凝胶的整体性能。水凝胶蒸发器的多种功能在抗盐、光降解、杀菌和发电等方面得到了扩展。基于水凝胶的上述优势,本综述进一步提出了适用于实际使用环境的水凝胶蒸发器的设计概念和策略。     

半导体的表面修饰与其光电化学应用

半导体经表面修饰能提高其光电化学过程的量子效率，扩展其光激光发响应范围至可见区，为利用太阳能提供了一个有价值的途径，举例介绍了一些半导体表面修饰方法，机理，光电化学性质和应用。     

硫氧键合BiVO4光阳极与FeNi催化剂实现高效水氧化

光电催化分解水可以将充足的太阳能直接转化存储为绿色清洁的氢能,然而光阳极表面缓慢的析氧反应动力学严重限制了太阳能到氢能的转化效率。我们通过一种简单的S-O键合策略实现BiVO4光阳极与FeNi催化剂的界面耦合（S:BiVO4-FeNi）,其光电催化分解水的光电流达到6.43 mA/cm2（1.23 VRHE, AM 1.5G）。进一步研究结果表明：界面S-O键合能够有效实现BiVO4光阳极光生电荷分离并促进空穴向FeNi催化剂表面迁移。同时,S-O键合可以进一步调控FeNi催化剂表面的电荷分布,从而有效提高光电化学分解水析氧活性和稳定性。该工作为设计构建具有高效、稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了一种新的研究策略。     

Solar energy and solid state chemistry

The transition from reliance on fossil fuels to long-term energy sources is a most urgent technical challenge to modern civilization. This paper outlines some materials problems associated with the transition to solar energy as a distributed source of (a) low-temperature heat for hot water, domestic heating, and refrigeration/air-conditioning, (b) electric power, and (c) fuel. Academy lecture delivered at the Indian Institute of Science, Bangalore, on 6 December 1978.     

Membraneless energy conversion and storage using immiscible electrolyte solutions

Breakthrough alternative technologies are urgently required to alleviate the critical need to decarbonise our energy supply. We showcase non-conventional approaches to battery and solar energy conversion and storage (ECS) system designs that harness key attributes of immiscible electrolyte solutions, especially the membraneless separation of redox active species and ability to electrify certain liquid–liquid interfaces. We critically evaluate the recent development of membraneless redox flow batteries based on biphasic systems, where one redox couple is confined to an immiscible ionic liquid or organic solvent phase, and the other couple to an aqueous phase. Common to all solar ECS devices are the abilities to harvest light, leading to photo-induced charge carrier separation, and separate the products of the photo-reaction, minimising recombination. We summarise recent progress towards achieving this accepted solar ECS design using immiscible electrolyte solutions in photo-ionic cells, to generate redox fuels, and biphasic “batch” water splitting, to generate solar fuels.     

基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。     

光致热效应促进的全光谱光催化CO2还原

以半导体等为催化剂,在太阳能作用下将CO2和H2O转化为可再生燃料与氧气的“人工光合作用”有望同时解决目前面临的严峻能源和环境问题,因而备受关注.但半导体催化剂光谱响应范围较窄、表面反应动力学缓慢,从而导致目前仍无法获得可观的太阳能-燃料转换效率.已有很多研究采用了晶面调控、元素掺杂和异质结构建等方法,以提高半导体光催化剂的太阳能-燃料转换效率,但效果仍不令人满意,主要原因是半导体光催化剂很难在吸收带边-氧化还原能力和活性-稳定性这两种关系中取得较好的平衡.此外,光催化反应中的动力学也是主要问题之一,尤其在人工光合作用反应中,CO2还原半反应和H2O氧化半反应的动力学均较困难, 这已成为共识, 而解决这个问题, 将有助于我们从一新的角度理解光催化过程, 从而提升光催化反应性能.本文以Au NP/金红石为模型催化剂, 纯金红石为参照, 证明了存在太阳光中的红外光致热和可见光诱导的等离激元热效应等两类光致热效应, 它们均可以促进人工光合作用反应. 研究发现, 人工光合作用反应与其他许多化学反应一样, 表观活化能为正, 从而表明动力学因素在该反应中起着重要作用. 此外, 根据不同反应温度下的结果, 通过计算Au NP/金红石和纯金红石上生成CO和CH4的表观活化能, 发现在这二种样品上CH4的表观活化能均高于CO, 这就从动力学上解释了热力学上更容易得到的CH4在绝大多光催化CO2还原反应中的产率均低于CO. 此外, 无论是对于CO还是CH4, Au NP/金红石的催化表观活化能均低于纯金红石的. 因此, 本文从实验上提供了贵金属纳米粒子改善人工光合作用动力学的实验证据,并从动力学角度解释了人工光合作用反应中的活性和选择性问题. 本研究证明了动力学因素在光催化反应, 尤其是人工光合作用反应中的重要性, 并提出了从动力学角度提升人工光合作用反应的新方法, 即利用太阳光的光致热效应加速反应, 这不仅有助于提升太阳能转化效率, 也有望减少反应设备成本, 从而促进其大规模应用.     

Solar thermochemical reactions Ⅱ： Synthesis of 2-aminothiophenes via Gewald reaction induced by solar thermal energy

Green conditions have been developed for the synthesis of substituted 2-aminothiophenes employing multicomponent reactions of a ketone with active methylene nitrile and elemental sulphur induced by free solar thermal energy.     

Solar thermochemical reactions Ⅱ: Synthesis of 2-aminothiophenes via Gewald reaction induced by solar thermal energy

Green conditions have been developed for the synthesis of substituted 2-aminothiopbenes employing multicomponent reactions of a ketone with active methylene nitrile and elemental sulphur induced by free solar thermal energy.     

Trash GGBFS-based geopolymer as a novel sunlight-responsive photocatalyst for dye discolouration

In this study, we report a waste material-ground granulated blast furnace slag (GGBFS) as a low cost geopolymer, hybridised with ZnO to form a novel and efficient photocatalyst capable of discolouring textile wastewater. GGBFS is a waste material in an iron industry. Methylene blue was used as the probe dye and natural sunlight was used for activation of the photocatalyst. It was observed that under the experimental conditions, ZnGP-40 exhibited twice the discoloration efficiency than conventionally used ZnO or TiO₂. This enhanced performance is majorly attributed to increased surface area of ZnO when strewn in the GGBFS matrix. The photocatalysts were characterized by SEM, TEM, PSA, TGA, BET and UV–Vis/NIR. The effect of photocatalyst loading, speed of agitation and solar insolation has also been studied. Since this study has been performed in direct sunlight, it exhibits a realizable application of solar energy in the treatment of wastewater.     

导电聚合物在纤维状能源器件中的应用进展

Conductive polymers implemented in fibrous energy devices have drawn considerable attention because of their economic importance, good environmental stability, and electrical conductivity. Conductive polymers demonstrate interesting mechanical, electronic, and optical properties, controllable chemical and electrochemical behavior, and facile processability. This review elaborates on the latest research in conductive polymers in fibrous energy devices, such as fibrous supercapacitors, fibrous solar cells, and fibrous integrated energy devices. The performance requirements of these fibrous energy devices, with specific reference to related materials, fabrication techniques, fiber structure, and electronic transport as well as mechanical functionality, are also reviewed in this paper.