太陽能作為自然界中存在最廣泛的可再生能源（23，000 TW/年），如何實現其高效合理地開發利用一直是科研工作者們的研究熱點。從目前發展階段來看，對太陽能的利用主要集中在太陽能電力系統、太陽能熱力系統以及太陽能燃料系統三個方面。然而，地球自轉引起的區域性光源間歇問題卻極大地限制了太陽能向其他能源的連續轉化，使其不能滿足日常生產生活中源源不斷的能量需求。針對這一問題，科學家們提出了相應的能源儲備戰略。通過將光電化學體系與二次電池或液流電池體系連用，實現了太陽能的轉化與存儲，有效地解決了光源間歇所引起的能源供需問題。但多體系連用存在系統復雜、成本較高、能量傳輸損耗嚴重等缺點。因此，如何合理地設計一體化太陽能蓄放體系便成為科研工作者們下一步需要解決的研究難題。
近日，中國科學院長春應用化學研究所董紹俊團隊通過構建基于水/氧循環的生物光電化學模型，實現了一體化體系下太陽能的連續轉化與存儲，為可再生能源的高效利用提供了一條新的研究思路。該團隊設計的生物光電化學體系以聚吡咯固態電容電極作為儲能模塊，使能量存儲過程更為安全、簡便。在太陽能蓄放過程中，體系中的水/氧分子能自發形成循環，不需要額外犧牲試劑與其它氧化還原對的參與，極大地提高了設備安全性并降低了成本。此外，該體系模塊化與集成化的結構設計使其能夠根據不同情況進行調整優化，更好地滿足多方面實際應用需求。實驗數據分析顯示，該概念模型在光照與暗場條件下分別獲得0.34±0.01和0.19±0.02mWcm-2的最大功率密度輸出，并且展現出穩定的太陽能蓄放循環性能。通過改變儲能模塊（聚吡咯電容電極）的電容量，充/放電時間可以得到有效調控。在本項研究工作中，水/氧循環生物光電化學模型的構建一方面推動了光電化學體系、生物電化學體系以及電容器體系間的交叉融合發展，另一方面也為未來綠色化可充電設備的研究發展提供一定的指導意義。這一成果近期發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society，2019， 141， 16416-16421）上，得到了國家自然科學基金和國家科技部基金的支持。