清華大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種混合電池，它不僅能儲(chǔ)存和供應(yīng)電力，還能生產(chǎn)糠醇和糠酸等有價(jià)值的化學(xué)品。這種兩用系統(tǒng)結(jié)合了充電電池和氧化還原液流電池的特點(diǎn)，在電池充電或放電的同時(shí)，利用專門的催化劑將生物質(zhì)衍生的糠醛轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品。

anie202304852-toc-0001-m.jpg© 由 cnBeta.COM 提供

可充電電池將電能儲(chǔ)存在電極材料中，而氧化還原液流電池則使用儲(chǔ)存在連接電極的儲(chǔ)液罐中的化學(xué)物質(zhì)?？茖W(xué)家們最近設(shè)計(jì)出了一種混合電池系統(tǒng)，它不僅能儲(chǔ)存和提供電能，還能在流動(dòng)系統(tǒng)中生成有用的化學(xué)物質(zhì)。在使用過程中，糠醛-氫氧化鎳電池可將生物質(zhì)來源的糠醛轉(zhuǎn)化為糠醇或糠酸。

糠醛是一種由農(nóng)業(yè)生物質(zhì)中常見的戊糖形成的小分子，被認(rèn)為是一種重要的平臺(tái)化學(xué)品，可以從中獲得多種中間體，用于各種用途。它可以被氧化成糠醛酸，糠醛酸是一種食品防腐劑，也是合成藥物和香料的中間體。

糠醛還原后可轉(zhuǎn)化為糠醇，是樹脂、香料和藥物的前體。段浩宏和來自中國北京清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功地在混合液流電池的運(yùn)行過程中獲得了這兩種增值化學(xué)品，從而提高了電池系統(tǒng)的成本效益。

標(biāo)準(zhǔn)的可充電電池在充電時(shí)將電能儲(chǔ)存在電極中，并在放電時(shí)將電能輸入電路。另一種電池類型是氧化還原液流電池，它將電能儲(chǔ)存在化學(xué)物質(zhì)中，化學(xué)產(chǎn)物在兩種狀態(tài)之間循環(huán)，并留在電池中。結(jié)合這兩個(gè)概念，研究人員調(diào)查了這種電池在儲(chǔ)存或提供能量的同時(shí)能夠產(chǎn)生額外化學(xué)物質(zhì)的程度。

突破性進(jìn)展是陽極的雙功能金屬催化劑。這種催化劑由銠-銅單原子合金制成，在電池充電時(shí)能順利地將電解液中的糠醛轉(zhuǎn)化為糠醇，而在電池放電時(shí)則形成糠酸。在陰極方面，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種摻鈷氫氧化鎳材料，類似于傳統(tǒng)鎳鋅電池或鎳氫電池中使用的陰極材料。

這種電池組件形成了一個(gè)真正的兩用電池系統(tǒng)：在充電（使用太陽能電池）后，四個(gè)串聯(lián)的混合電池能夠運(yùn)行各種設(shè)備，包括 LED 燈和智能手機(jī)，同時(shí)在電池循環(huán)過程中不斷產(chǎn)生糠醇和糠酸，這些化學(xué)物質(zhì)通過一個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)被帶走。

作者發(fā)現(xiàn)，這種新型混合電池在能量密度和功率密度方面可與一些普通電池相媲美，但它能同時(shí)提供電能和增值化學(xué)品。在儲(chǔ)存 1 千瓦時(shí)能量的同時(shí)，可生產(chǎn) 0.7 千克糠醇，而當(dāng)系統(tǒng)提供 0.5 千瓦時(shí)的能量時(shí)（一臺(tái)冰箱可在此能量下運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)），可生產(chǎn) 1 千克糠酸。不過，糠醛會(huì)不斷進(jìn)入系統(tǒng)，必須將產(chǎn)品與電解液分離。

該團(tuán)隊(duì)的混合概念朝著提高可充電電池的可持續(xù)性和成本效益邁出了一步，但仍需進(jìn)一步發(fā)展這一概念。