CO2的電化學還原反應能將CO2轉化成液體碳燃料，減輕目前能源和環境的需求。然而，可再生、可持續的能源驅動的這種反應未充分開發，目前是一項挑戰。海洋波浪能是豐富、可持續的能源，和太陽能相比，受天氣條件的影響較小，但未被廣泛利用，其中一個原因是電磁式發電機作為波浪發電機卻不能漂浮在海面上，需要支撐平台或者固定在海底上，會給海洋生物帶來困擾。摩擦納米發電機能利用摩擦起電和靜電感應的效應將機械能轉化為電能，為了解決電磁式發電機的上述問題，最近應用於捕獲波浪能。波浪能轉化為電能後儲存在化學燃料里，與通過超級電容器和電池儲能相比更可取。目前還沒有摩擦納米發電機驅動的CO2的電化學還原反應製備液體碳燃料的報導。
近日，香港城市大學的何志浩教授（通訊作者）等人聯合喬治亞理工學院的王中林教授與沙特KAUST的Khaled Salama教授報導了彈簧輔助的球形摩擦納米發電機捕獲的波浪能驅動的CO2的電化學還原反應製備液體碳燃料。這種摩擦納米發電機和電磁式發電機相比更具性價比。而且，它和以往的摩擦納米發電機相比具有更高的波浪能轉化效率和功率輸出，能漂浮在海面上，對環境的影響最小，操作簡單。他們通過優化這個波浪能驅動的CO2的電化學還原反應體系的參數，使CO2的電化學還原反應的法拉第效率接近100%，使液體燃料產量最大。實驗室的表面積為0.04 m2的水上，CO2的電化學還原反應的產物甲酸的最大產量為每天2.798 μmol。紅海上，風速為每小時18海里時，甲酸的產量為每天0.325 μmol。他們還對利用波浪能製備液體燃料的未來發展進行展望。上述成果發表在著名期刊Energy & Environmental Science上。
圖1. 波浪能驅動的CO2的電化學還原反應體系的示意圖
這個體系由三部分組成：彈簧輔助的球形摩擦納米發電機；帶有整流器和超級電容器的能量存儲電路；用於CO2的還原反應和析氧反應的雙電極電化學電池。
圖2. 波浪能驅動的CO2的電化學還原反應體系的現場測試
(a)現場測試的照片；(b)不同風速下每天所產生的甲酸的物質的量。
小結
研究團隊報導了波浪能驅動的CO2的電化學還原反應體系將波浪能轉化成方便儲存和運輸的液體碳燃料。彈簧輔助的球形摩擦納米發電機將波浪能轉化成電能，價格便宜，質輕，對海洋生物的影響小。電能通過電化學反應將CO2轉變成甲酸。而且，他們通過優化這個波浪能驅動的CO2的電化學還原反應體系的參數，使CO2的電化學還原反應的法拉第效率接近100%。另外，他們還在實際場景中測試了這個體系，證明這個體系具有實用性。
文獻連結：Blue Energy Fuels: Converting Ocean Wave Energy to Carbon-Based Liquid Fuels via CO2 Reduction（Energy Environ. Sci.，2019，DOI：10.1039/C9EE03566D ）