 导语 近年来，通过人工模拟自然光合作用中的光收集、催化和能量存储过程，发展了多种太阳能利用途径，如太阳能发电、太阳能燃料和太阳能电化学储能。其中，基于光充电电池将太阳能直接转化并存储为电化学能，有助于解决太阳能间歇性限制，促进离网供电系统的发展。近日，中国科学院福建物质结构研究所的王要兵团队设计并可控制备了一类具有电荷分离-双氧化还原活性的共价有机框架（COFs）基复合电极材料，发展了一种高效率的光充电质子电池。相关研究成果发表在Angew. Chem.（DOI: 10.1002/anie.202306506）。 前沿科研成果 基于有机光电化学储能材料的光充电电池 目前，一系列太阳能到电化学能存储器件已经在实验室规模上得到了证明。最常见的存储太阳能的方法是通过导线将光伏电池与可充电电池（如锂离子电池、超级电容器等）连接，用光伏对电池充电。然而，这种物理串联式的光充电电池的发展受限于集成度低、电极模块多、效率低等瓶颈问题。相比之下，一体化光充电电池系统通过共享电解液的方式集成金属负极与光吸收+氧化还原双功能正极，通过光生载流子参与的离子脱嵌反应实现太阳能到电化学能存储。尽管该技术具有灵活性和成本效益等潜在优势，但由于电极材料的电荷寿命（<μs）和氧化还原反应（>ms）之间的动力学不匹配、正极光电子和负极金属电极氧化还原电位之间的能级不匹配（例如，Li/Li+ = 1.46 eV, Zn/Zn2+ = 3.74 eV），导致大量的低能载流子复合，光电化学反应程度低，能量存储效率受限。
图1. 光充电电池（来源：Angew. Chem.） 王要兵团队提出的新型光充电电池很好的解决了上述瓶颈问题（图1d所示）。该团队基于一类电荷分离-双氧化还原活性的COFs材料，在COFs基正极和负极的共光泵浦下，通过电子-离子转移将两个光耦合的离子转移反应（PCIT）相互耦合。该方法利用两个光电电化学存储电极之间的电子电势差，实现定向光电子迁移，同时产生合适的光电压，在各自的电极间驱动离子迁移并进行PCIT氧化和还原反应，从而将太阳能存储为氧化还原态之间的电化学能量。该过程机制可总结为光互耦的电子-离子转移（PIEIT，图2所示）。储存的太阳能可以在暗场下释放，实现太阳能到电化学存储与可逆释放。该类光充电电池能够实现有效的电荷分离和空间电荷转移，而无需外部偏压。
图2. 光充电电池机制（PIEIT）示意图（来源：Angew. Chem.） 该光充电电池实现了光到电化学能存储效率的突破（6.9%），在20s的光照时间后，可持续放电近2000s。另外，该技术可灵活应用于大面积（56 cm2）串联装置，该装置在无任何外置充电设备连接的情况下进行光充电，且工作电压随串联数量的增加而增加，为光电化学储能的实用化目标提供了潜在的实现方式（如图3所示）。
图3. 光充电电池电化学及实用性测试（来源：Angew. Chem.） 总结 该团队可控制备了一类有机光电化学储能材料（DT-COF），其具有光生电荷分离和双氧化还原活性位点（C=O/C-OH，C=N/C-NH）。基于此，构建了COF基光电化学存储正极（DT-COF/Ag）和负极（DT-COF/TiO2），在正极和负极分别通过光激发PCIT氧化和还原反应，从而实现光充电。同时，定向和高通量的光电流促进了氧化还原反应和光充电过程，提高了光电化学储能的整体效率。此外，在DT-COF的不同氧化还原状态之间储存的太阳能可以在放电中自发地作为电化学能量释放，从而使电池回路互锁。此外，延伸出了一种串联大面积器件，可实现高放电电压平台和稳定的长期循环。这项工作为光充电电池的设计开辟新的途径。所提出的PIEIT机制将进一步优化电池，并进一步了解光生载流子和氧化还原反应之间的协同作用，从而实现实用化的太阳能储能。 这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是中国科学院福建物质结构研究所博士研究生焦磊和助理研究员张祥，通讯作者为王要兵研究员。 课题组简介
王要兵课题组长期致力于有机光电化学材料及其器件的研究。课题组首次设计并构建了基于共价有机框架材料的光响应锂离子电池，实现了直接的太阳能到电化学能的存储转换（Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018, 57, 12716–12720）；提出了电荷分离耦合氧化还原功能材料设计思路（Energy Environ. Sci. 2022, 15, 780–785），发展了一系列有机系/水系光充电电池，提出光耦合的离子转移机制（PCIT）（Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022, 61, e202214816；Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2213667），总结归纳了光电化学存储、人工光合作用的理论和方法研究（Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 1511–1528； Nat. Rev. Chem. 2023, 7, 91–105；Energy Environ. Sci. 2023, 16, 2432-2447）。 教授简介
王要兵，中科院福建物构所研究员，博士生导师，国家优青项目入选者，2008年于中科院化学所获得博士学位，随后在加州大学河滨分校从事博士后研究，并于2013年被引进至中科院福建物构所工作。迄今为止在Nat. Rev. Chem.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Acc. Chem. Res.等学术期刊发表文章近百篇，被引共计5000余次。目前承担国家自然科学基金委，中国科学院，科技部及福建省各种项目10余项。 邀稿 |
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