水伏效应可通过蒸发过程将微弱的环境能量转化为电能，近年来被广泛应用于自驱动传感、可穿戴电子器件、能源供给等领域。目前，水伏发电技术的研究多聚焦于通过材料设计来提升产电性能。然而，除产电性能外，基于水伏效应的蒸发发电机（WEG）的环境友好性需慎重考虑。与其他可再生能源技术一样，WEG的制备过程可能具有潜在的碳排放。从全生命周期计算角度分析，WEG在发电过程中的产生的碳排放可能超过耦合CCUS的传统燃煤发电技术。换句话说，WEG是否是一种清洁的能量转化技术还有待商榷。
近期，天津大学刘宪华教授、天津大学于桢助理研究员与浙江大学孙晨副研究员合作，首次提出了以藻膜为发电界面的微藻基全负碳水伏发电机（CWEG）。由于微藻在生长过程中可以利用有机碳或二氧化碳，因此，与其他WEG相比，CWEG在整个生命周期内可实现负碳产电过程。在环境湿度下，CWEG实现了约0.25V的开路电压（Voc）和3.3 μA的短路电流（Isc）。
图1 CWEG的设计理念
全生命周期计算表明：在产生1 W s的电能时，CWEG的CO2排放约为-10.4 g (图2a)。由此可见，CWEG可实现“负碳发电”。除蓝藻外，其他微藻，包括硅藻和小球藻也可以用来制备CWEG，并取得了良好的发电性能。值得注意的是，当CWEG的功率密度从1.1 mW m-2降低到0.1 mW m-2时，CWEG的CO2排放量从93.4 g变化到8.5 g (图2b)。该结果表明，CWEG的功率密度越低，负碳效益越好。然而，在相同的输出性能下，CWEG的功率密度越低，发电成本越高。因此，平衡CWEG的CO2排放量和成本也较为重要。
最后，通过串联和并联操作提高了CWEG的输出性能。将50个CWEG串联后，CWEG的开路电压可提升至12.6 V (图2c)。同样，将50个CWEG并联后，CWEG的短路电流可达0.11 mA (图2b)。
图2 (a) CWEG和其他WEG在整个生命周期内的CO2排放，及各部分在整个生命周期内的CO2排放比例；(b)不同功率密度(PD) CWEG的制造成本和CO2排放；(c) 50个串联的CWEG的开路电压和50个并联CWEG的短路电流
综上，这项工作不仅对新型水伏发电机的设计具有重要意义，还为微藻的资源化利用提供了新思路。该工作近期以“Microalgae Film-Derived Water Evaporation-Induced Electricity Generator with Negative Carbon Emission”为题发表在著名国际期刊《Advanced Science》(IF =15.1)。本研究得到中国博士后面上基金、国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。
论文信息：
第一作者：许硕
通讯作者：刘宪华，于桢，孙晨
通讯单位：天津大学；浙江大学
https://doi.org/10.1002/advs.202400856
图文转载自【中国聚合物网】:http://www.polymer.cn/