中国科学アカデミーの長春応用化学の博士課程の学生であるZhang Heは、実験台の前に一人で座って、電気化学ワークステーションデータの動作を観察することにより、デバイスの接続モードを絶えず調整していました。 これは、最近の彼の日々の仕事の縮図です。
「サイクルテストには10時間以上かかる場合があり、オペレーターは実験装置の前に留まる必要があります。」と彼はChina Science Newsに語った。
最近、彼はついに簡単にリラックスすることができました。 中国科学アカデミーの学者であるドン・シャオジュンの指導の下、彼のチームは、水/酸素サイクルに基づいた生体光電気化学モデルを構築することにより、統合システムでの太陽エネルギーの連続変換と貯蔵を実現しました。 関連する結果が最近、Journal of the American Chemical Societyに掲載されました。
「サイクルテストには10時間以上かかる場合があり、オペレーターは実験装置の前に留まる必要があります。」と彼はChina Science Newsに語った。
最近、彼はついに簡単にリラックスすることができました。 中国科学アカデミーの学者であるドン・シャオジュンの指導の下、彼のチームは、水/酸素サイクルに基づいた生体光電気化学モデルを構築することにより、統合システムでの太陽エネルギーの連続変換と貯蔵を実現しました。 関連する結果が最近、Journal of the American Chemical Societyに掲載されました。
途切れない太陽エネルギー
地球の自転により、自然の中で昼と夜が交互に変化し、地域の太陽光が断続的かつ不連続的に照射されるようになりました。
従来の光起電力デバイスの場合、連続的な電力出力を得るためには、デバイスの通常の動作にとって連続的な照明が最も基本的な条件です。しかし、断続的な地域の光の影響により、光起電力デバイスでのエネルギー変換（光エネルギーから電気エネルギー）は不連続プロセスです。これにより、太陽エネルギーの直接使用が大幅に制限され、実際の生産と生活において24時間電力需要を満たすことができなくなりました。
この問題を解決するために、科学者たちは対応するエネルギー貯蔵戦略を提案しており、光電気化学システムと二次電池またはフロー電池システムを組み合わせることにより、太陽エネルギーの変換と貯蔵が実現します。
「しかし、マルチシステムの組み合わせ使用には、複雑なシステム、高コスト、深刻なエネルギー伝送損失という欠点があります。」この論文の最初の著者であるZhang Heは、マルチシステムの組み合わせ使用では、一方でシステムとシステム間のマッチング、およびエネルギーを考慮する必要があると分析します伝送および転送中に、熱エネルギーの形で避けられない損失が発生します。この方法では、機器のコストが増加するだけでなく、蓄積されたエネルギーの効果的な使用にもつながりません。
2018年、チームは、n型半導体光アノードとマルチ銅オキシダーゼバイオカソードを一致させ、システムの水/酸素サイクルの光エネルギーからの変換を実現することにより、水/酸素サイクルに基づいたバイオ光電気化学セルの構築に成功しました化学エネルギーから電気エネルギーへの継続的かつ安定した変換。
ただし、従来の光電気化学システムと同様に、このシステムの動作は外部の光条件によって完全に制御されており、さらなる修正が緊急に必要です。
「以前の研究に基づいて、私たちのチームはエネルギー貯蔵モジュール（ポリピロールコンデンサ電極）を導入することにより、統合された生体光電気化学モデルシステムを確立しました。システム内の水/酸素循環の状態で、光が実現しましたそして、暗視野条件下での出力の安定した流れ。
太陽エネルギーを貯蔵する
バッテリーシステムの研究では、チームは、単一電極から単一バッテリー、システム全体に至るまで、単一電極の電気化学的挙動を調査することから始め、単純かつ複雑な方法で構築されたモデルシステムのコンポーネントと全体的な性能を調べました。
地球の自転により、自然の中で昼と夜が交互に変化し、地域の太陽光が断続的かつ不連続的に照射されるようになりました。
従来の光起電力デバイスの場合、連続的な電力出力を得るためには、デバイスの通常の動作にとって連続的な照明が最も基本的な条件です。しかし、断続的な地域の光の影響により、光起電力デバイスでのエネルギー変換（光エネルギーから電気エネルギー）は不連続プロセスです。これにより、太陽エネルギーの直接使用が大幅に制限され、実際の生産と生活において24時間電力需要を満たすことができなくなりました。
この問題を解決するために、科学者たちは対応するエネルギー貯蔵戦略を提案しており、光電気化学システムと二次電池またはフロー電池システムを組み合わせることにより、太陽エネルギーの変換と貯蔵が実現します。
「しかし、マルチシステムの組み合わせ使用には、複雑なシステム、高コスト、深刻なエネルギー伝送損失という欠点があります。」この論文の最初の著者であるZhang Heは、マルチシステムの組み合わせ使用では、一方でシステムとシステム間のマッチング、およびエネルギーを考慮する必要があると分析します伝送および転送中に、熱エネルギーの形で避けられない損失が発生します。この方法では、機器のコストが増加するだけでなく、蓄積されたエネルギーの効果的な使用にもつながりません。
2018年、チームは、n型半導体光アノードとマルチ銅オキシダーゼバイオカソードを一致させ、システムの水/酸素サイクルの光エネルギーからの変換を実現することにより、水/酸素サイクルに基づいたバイオ光電気化学セルの構築に成功しました化学エネルギーから電気エネルギーへの継続的かつ安定した変換。
ただし、従来の光電気化学システムと同様に、このシステムの動作は外部の光条件によって完全に制御されており、さらなる修正が緊急に必要です。
「以前の研究に基づいて、私たちのチームはエネルギー貯蔵モジュール（ポリピロールコンデンサ電極）を導入することにより、統合された生体光電気化学モデルシステムを確立しました。システム内の水/酸素循環の状態で、光が実現しましたそして、暗視野条件下での出力の安定した流れ。
太陽エネルギーを貯蔵する
バッテリーシステムの研究では、チームは、単一電極から単一バッテリー、システム全体に至るまで、単一電極の電気化学的挙動を調査することから始め、単純かつ複雑な方法で構築されたモデルシステムのコンポーネントと全体的な性能を調べました。
最初に遭遇した問題は、エネルギー貯蔵モジュールの選択でした。
著者の1人である中国科学院長春応用化学の博士課程の学生であるHuang Liangは、中国科学雑誌に、固体コンデンサ電極の正常な保管を保証するために、フォトバイオ燃料電池の2つの電極の間に充電/放電ポテンシャルウィンドウが必要であると語った。電位間;一方、電極が中性電気化学システムで高く安定した静電容量を持っていることを確認する必要があります。 「最適化とテストの多くの側面を経て、エネルギー貯蔵モジュールとしてポリピロールコンデンサ電極を選択します。」
案の定、ポリピロールコンデンサ電極が果たす二重の役割は、光電気化学システムとバッテリーシステムの統合を実現しました。
光電気化学システムでは、光の条件下では、ポリピロールコンデンサ電極が陰極として機能し、陽極から生成された光電子を受け入れ、それ自身の容量性能により蓄え、光エネルギーの電気エネルギーと化学エネルギーへの変換を実現します。暗視野条件下では、バッテリーシステムでは、ポリピロールコンデンサ電極はアノードとしても機能し、蓄積された光電子をバイオカソードに移動して、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換を実現します。
2番目の大きな問題は、システムの保管中および保管中の電極間の電位整合にあります。
「コンデンサ電極の充電/放電電位を決定する必要があります。」この論文の著者の1人であり、中国科学院長春応用化学研究所の准研究員であるZhai Junfengは、光電子化学システムではアノード光触媒水酸化（OER）の潜在的なニーズがコンデンサ電極での光生成電荷の蓄積は、-0.1 V以下で効果的に達成できるため、このシステムでは二酸化チタン電極を適切な光触媒材料として使用できます。
バイオ燃料電池システムでは、カソード電極の酸素還元電位を0.3 Vより高くして、コンデンサ電極から光生成電荷を効果的に放出する必要があります。したがって、チームはビリルビンオキシダーゼをこのシステムでの適用に適した生体触媒材料として選択しました。
実験データの分析により、概念モデルは、明視野および暗視野条件下でそれぞれ0.34±0.01および0.19±0.02 mW cm-2の最大電力密度出力を達成し、安定した太陽熱貯蔵サイクル性能を示すことがわかります。さらに、エネルギー貯蔵モジュール（ポリピロールコンデンサ電極）の静電容量を変更することにより、システムの充電/放電時間を効果的に制御できます。
グリーンな新エネルギーの開発を支援
Zhang Heは、このモデルシステムの確立により、単純化、小型化、低コスト化に向けた太陽エネルギー貯蔵システムの開発が実現し、環境に優しいグリーン新エネルギーの開発のための新しい研究アイデアを提供できると考えています。
「システム内の単純な水/酸素サイクルにより、この統合デバイスで太陽エネルギーを連続的に変換、保存、放出して、明暗条件で連続的な出力を実現し、地域の光の断続的な影響を回避できます。不連続な太陽エネルギー変換の問題。「チャン・ヘが紹介した、これはこの研究の革新でもある。
彼は、関連する産業技術のサポートにより、このモデルは新興のグリーンエネルギーデバイスの商用アプリケーションで開発されると期待されています。 「たとえば、バッテリーを直列に使用して、小型エネルギー機器の商用アプリケーションを実現し、日常生活で携帯電話の充電機器、家庭用バックアップ電源、小さな街灯の使用に対応できます。」
次のステップでは、チームはこの研究作業を基本モデルとして使用して、モデルの関連するアプリケーションの見通しを拡大するために、実際の生産および生活における特定の問題に対してシステムを改善および最適化します。
著者の1人である中国科学院長春応用化学の博士課程の学生であるHuang Liangは、中国科学雑誌に、固体コンデンサ電極の正常な保管を保証するために、フォトバイオ燃料電池の2つの電極の間に充電/放電ポテンシャルウィンドウが必要であると語った。電位間;一方、電極が中性電気化学システムで高く安定した静電容量を持っていることを確認する必要があります。 「最適化とテストの多くの側面を経て、エネルギー貯蔵モジュールとしてポリピロールコンデンサ電極を選択します。」
案の定、ポリピロールコンデンサ電極が果たす二重の役割は、光電気化学システムとバッテリーシステムの統合を実現しました。
光電気化学システムでは、光の条件下では、ポリピロールコンデンサ電極が陰極として機能し、陽極から生成された光電子を受け入れ、それ自身の容量性能により蓄え、光エネルギーの電気エネルギーと化学エネルギーへの変換を実現します。暗視野条件下では、バッテリーシステムでは、ポリピロールコンデンサ電極はアノードとしても機能し、蓄積された光電子をバイオカソードに移動して、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換を実現します。
2番目の大きな問題は、システムの保管中および保管中の電極間の電位整合にあります。
「コンデンサ電極の充電/放電電位を決定する必要があります。」この論文の著者の1人であり、中国科学院長春応用化学研究所の准研究員であるZhai Junfengは、光電子化学システムではアノード光触媒水酸化（OER）の潜在的なニーズがコンデンサ電極での光生成電荷の蓄積は、-0.1 V以下で効果的に達成できるため、このシステムでは二酸化チタン電極を適切な光触媒材料として使用できます。
バイオ燃料電池システムでは、カソード電極の酸素還元電位を0.3 Vより高くして、コンデンサ電極から光生成電荷を効果的に放出する必要があります。したがって、チームはビリルビンオキシダーゼをこのシステムでの適用に適した生体触媒材料として選択しました。
実験データの分析により、概念モデルは、明視野および暗視野条件下でそれぞれ0.34±0.01および0.19±0.02 mW cm-2の最大電力密度出力を達成し、安定した太陽熱貯蔵サイクル性能を示すことがわかります。さらに、エネルギー貯蔵モジュール（ポリピロールコンデンサ電極）の静電容量を変更することにより、システムの充電/放電時間を効果的に制御できます。
グリーンな新エネルギーの開発を支援
Zhang Heは、このモデルシステムの確立により、単純化、小型化、低コスト化に向けた太陽エネルギー貯蔵システムの開発が実現し、環境に優しいグリーン新エネルギーの開発のための新しい研究アイデアを提供できると考えています。
「システム内の単純な水/酸素サイクルにより、この統合デバイスで太陽エネルギーを連続的に変換、保存、放出して、明暗条件で連続的な出力を実現し、地域の光の断続的な影響を回避できます。不連続な太陽エネルギー変換の問題。「チャン・ヘが紹介した、これはこの研究の革新でもある。
彼は、関連する産業技術のサポートにより、このモデルは新興のグリーンエネルギーデバイスの商用アプリケーションで開発されると期待されています。 「たとえば、バッテリーを直列に使用して、小型エネルギー機器の商用アプリケーションを実現し、日常生活で携帯電話の充電機器、家庭用バックアップ電源、小さな街灯の使用に対応できます。」
次のステップでは、チームはこの研究作業を基本モデルとして使用して、モデルの関連するアプリケーションの見通しを拡大するために、実際の生産および生活における特定の問題に対してシステムを改善および最適化します。
