当今世界化石燃料的日益枯竭和 CO₂ 的大量排放引发能源危机和气候变化，驱动人们发展可替代传统化石能源的清洁能源技术。地球表面的 71% 被海洋所覆盖，海洋波浪能具有能量密度高、分布范围广、可持续利用、受天气影响小等优势。有数据表明海洋波浪能每年可产生至少 8 万亿度电，是一种极具潜力的解决能源与环境危机的可再生能源。对海洋波浪能的开发和利用主要是通过能量转换装置将波浪能的机械能转化为电能。然而目前波浪能的研究主要受到以下几方面因素的制约：1) 远离海岸，产生的电能难以并入电网；2) 严峻天气或海水的腐蚀会破坏发电装置，增加成本；3) 传统的能量转换装置一般为电磁发电机，笨重且不能浮动，需要支撑平台或固定在海底，会干扰到海洋生物的生命活动。为了解决现有波浪能能量转化技术的难题，本文研究团队利用摩擦纳米发电机（TENG）将波浪的机械能转化为电能，再通过 CO₂ 电还原反应生成液体燃料甲酸，将能量最终以化学能形式储存。

• I 利用摩擦纳米发电机将波浪能转化为电能；
• II 引入能量管理电路，优化波浪能驱动 CO₂ 还原系统的电学参数；
• III 利用 CO₂ 还原反应将能量最终转化为化学能（甲酸燃料的合成）。

研究团队设计的摩擦纳米发电机（TENG）利用摩擦起电和静电感应，能够灵敏地收集转化波浪中的机械能，其结构简单，质量轻便，可在水面上漂浮，能够减小对海洋环境的影响，同时具有很高的能量转化效率和能量输出，适合大规模部署。TENG 将波浪能的机械能转化为电能之后，外接电路板中的整流器将产生的交流电转化为直流电，再通过超级电容器充电过程实现电能的储存。能量管理体系中的超级电容器主要起到两个关键的作用，既能作为摩擦纳米发电机的储能器，同时为后续 CO₂ 电还原提供稳定的电力输出。最后由电容器为电化学反应池提供稳定的电压输入，将 CO₂ 还原生成甲酸，实现波浪能-电能-化学能的转化。

波浪能驱动 CO₂ 还原系统的能量转化效率主要由能量管理系统的参数决定，其中包括储存 TENG 产生电力的储能器的电容及 CO₂ 电还原体系的操作电压。超级电容器的电容为 0.01F 时摩擦发电机产生的电能储能效率最高。

最佳的电化学还原体系操作电压 2.4 V 时，CO₂ 转化为甲酸的法拉第效率可接近 100%，此时获得最高的甲酸产率为 2.798 μmol/ 天。

该研究工作设计制作了一个波浪能驱动的 CO₂ 电化学还原系统，其工作原理是摩擦纳米发电机将波浪的机械能转化为电能并储存在超级电容器中，再将储存的电能应用于 CO₂ 电化学还原生成液体燃料甲酸。通过能量管理即优化电容器的充电过程和电化学反应的操作电压，可以实先最优的能量储存效率和最高的甲酸产率。研究数据表明：在 0.04 m² 水面收集的波浪能，在电容器放电电压设置为 2.4 V 时 CO₂ 转化为甲酸的法拉第效率可接近 100%，每天甲酸的产率可达 2.798 μmol。在红海中的场测试证明了该系统能够将波浪能有效转化为液体燃料的可行性。

• Blue energy fuels: converting ocean wave energy to carbon-based liquid fuels via CO₂ reduction
  Siu-Fung Leung, Hui-Chun Fu, Maolin Zhang, Ali H. Hassan, Tao Jiang, Khaled N. Salama, Zhong Lin Wang and Jr-Hau He*（何志浩，香港城市大学）
  Energy Environ. Sci., 2020
  http://dx.doi.org/10.1039/C9EE03566D

  

第一作者

Siu-Fung Leung

阿卜杜拉国王科技大学

通讯作者

何志浩（Jr-Hau He）教授

香港城市大学