Li Hong&刘书德&Yamauchi CarbonEnergy：光伏充电超级电容器驱动全水分解制备氢气

Photovoltaic-powered supercapacitors for driving overall water splitting: a dual-modulated 3D architecture

Zixu Sun, Lijuan Sun, See Wee Koh, Junyu Ge, Jipeng Fei, Mengqi Yao, Wei Hong, Shude Liu*, Yusuke Yamauchi*, Hong Li*

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.213

1.研究背景

氢气(H₂)具有较高的能量密度和燃烧过程中零释放，是一种很有前景的可再生化石燃料替代品。电催化直接从水中提取H₂的研究已得到广泛的研究; 然而，高昂的用电成本阻碍了电解水技术的广泛应用。目前，利用太阳能、热能和风能等自然可再生资源发电的电解水是将可再生绿色能源转化为可持续氢气的一种很有前景的方法。然而，可再生能源的间歇性和不可预测性是维持不间断和稳定的电力输出的主要限制。因此，迫切需要设计一种以可再生能源驱动的储能系统为动力的水分解系统的集成配置。

2.研究内容

河南大学孙自许教授联合新加坡南洋理工大学Li Hong教授以及日本NIMS研究所刘书德教授和Yusuke Yamauchi教授，开发出一体化的碳中和系统：太阳能充电超级电容器来驱动整体水分解(OWS)系统，其中波动的太阳能被存储在超级电容器中，用于稳定产生绿色氢气，无需电力转换器。该成果以“Photovoltaic-powered supercapacitors for driving overall water splitting: a dual-modulated 3D architecture”为题发表在Carbon Energy上。

3.本文亮点

（1） 开发出一体化的碳中和系统，利用太阳能充电超级电容器作为驱动器，无CO₂排放制备可再生能源氢气；

（2） 研究了活性材料形貌对电容器容量以及电催化性能的影响；

4.图文解析

（1）采用两步法制备多功能电化学材料NiCo₂O₄@NiCo₂S₄。

图1 NiCo₂O₄@NiCo₂S₄制备过程。

（2）控制条件，制备三种不同形貌的复合材料。采用两步水热法制备了纳米线，纳米片以及纳米球复合结构；SEM测试表明，两步水热之后，仍然保持初始的结构。

图2 三种不同形貌的SEM图

（3）通过电化学测试表明，NiCo₂O₄@NiCo₂S₄ 纳米片复合结构，具有更优异的水分解性能以及容量性能。当电流密度为10mA/cm²时，全水分解的电压仅为1.47V。当功率密度为480 W/kg，非对称性电容器的能量密度为65.4 Wh/kg.

图3 水分解性能

图4 电容器性能

（4）最后利用太阳能为能源，充电超级电容器器件，然后充满电的电容器驱动全水分解，这种系统可以实现CO₂零排放的同时，还能够产生零污染的氢气。

图5 集成体系性能

5.总结

通过两步水热法制备了基于PV充电超级电容器驱动的自供电水分解系统。该集成系统可以稳定的产生大量的H₂，实现了波动太阳能向H₂燃料的转换。本研究为设计一种具有高成本效益的综合能量转换与存储多功能电极提供了一种有前景的策略。

相关论文信息

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论文标题：

Photovoltaic-powered supercapacitors for driving overall water splitting: a dual-modulated 3D architecture

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.213

DOI:10.1002/cey2.213

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