廉价高效的新型催化剂可改变可再生能源的储存方式

廉价高效的新型催化剂可改变可再生能源的储存方式由香港城市大学开发、伦敦帝国理工学院测试的一种利用单个铂原子的新型催化剂，有望更方便、更经济地利用可再生能源储存氢气。这项创新将铂原子分散在硫化钼上，减少了铂的用量，提高了电解效率。共同作者、帝国理工学院化学系的AnthonyKucernak教授说："《英国氢战略》提出了到2030年低碳氢生产能力达到10GW的宏伟目标。为了实现这一目标，我们需要提高廉价、易于生产和高效储氢的产量。新型电催化剂可以为此做出重大贡献，最终帮助英国实现到2050年净零排放的目标。"风能和太阳能等可再生能源发电量正在迅速增长。然而，所产生的部分能源需要储存起来，以便在天气条件不利于风能和太阳能时使用。一个很有前景的方法就是以氢气的形式储存能源，氢气可以储存和运输，以供日后使用。新型催化剂材料资料来源：香港城市大学为此，可再生能源被用来将水分子分裂成氢和氧，能量储存在氢原子中。这需要使用铂催化剂来刺激水分子的分裂反应，也就是所谓的电解。然而，虽然铂是这种反应的极佳催化剂，但它既昂贵又稀有，因此尽量减少铂的使用对于降低系统成本和限制铂的提取非常重要。现在，在最近发表于《自然》（Nature）的一项研究中，研究小组设计并测试了一种催化剂，这种催化剂使用尽可能少的铂，从而产生了一种高效但成本效益高的水分离平台。首席研究员、香港城市大学张华教授说："电催化水分裂产生的氢被认为是在不久的将来最有希望取代化石燃料的清洁能源之一，可减少环境污染和温室效应。"测试工具该团队的创新涉及在硫化钼（MoS2）薄片中分散单原子铂。这比现有催化剂使用的铂要少得多，甚至还能提高性能，因为铂与钼相互作用，提高了反应的效率。在纳米片支撑物上生长薄催化剂，使城大团队能够制造出高纯度的材料。随后，帝国理工大学的库切纳克教授实验室对这些材料进行了表征，并开发了确定催化剂如何工作的方法和模型。帝国理工大学的团队拥有进行严格测试的工具，因为他们已经开发出了几种专门用于使用这种催化剂的技术。库切纳克教授及其同事已经在这些技术的基础上成立了几家公司，其中包括专门从事氢流电池研发的RFCPower公司。使用氢气一旦可再生能源以氢的形式储存起来，要想再次将其用作电力，就需要使用燃料电池进行转换，因为燃料电池在氧分裂反应中会产生水蒸气作为副产品。最近，库切纳克教授及其同事发现了一种用于该反应的单原子催化剂，这种催化剂以铁而不是铂为基础，这也将降低这项技术的成本。库切纳克教授领导的另一家分拆公司布兰布尔能源公司（BrambleEnergy）将在其燃料电池中测试这项技术。因此，这两种单原子催化剂--一种帮助将可再生能源转化为氢储存起来，另一种帮助将这些能量在以后以电力形式释放出来--都有能力让氢经济更接近现实。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385599.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385599.htm

革命性的可再生能源生产方式：利用阳光从空气中生产氢气燃料

革命性的可再生能源生产方式：利用阳光从空气中生产氢气燃料当该装置简单地暴露在阳光下时，它从空气中获取水分并产生氢气。该成果于2023年1月4日发表在《先进材料》上。该技术的革新之处在于新型气体扩散电极是透明的、多孔的和导电的，使这种以太阳能为动力的技术能够将水-来自空气中的气体状态变成氢燃料。"为了实现一个可持续发展的社会，我们需要有办法将可再生能源储存为可以作为燃料和工业原料的化学品。太阳能是最丰富的可再生能源形式，我们正在努力开发具有经济竞争力的方法来生产太阳能燃料，"EPFL光电纳米材料分子工程实验室的西武拉说，他是这项研究的主要研究者。凯文-西武拉在他的实验室。资料来源：AlainHerzog/EPFL来自植物叶片的灵感在研究人员对可再生无化石燃料的研究中，EPFL的工程师与丰田汽车欧洲公司合作，从植物能够利用空气中的二氧化碳将太阳光转化为化学能的方式中获得灵感。植物从其环境中收获二氧化碳和水，并在阳光的额外能量的推动下，将这些分子转化为糖和淀粉，这一过程被称为光合作用。阳光的能量以化学键的形式储存在糖和淀粉的内部。由Sivula和他的团队开发的透明气体扩散电极，当涂上光收集半导体材料时，非常像一片人造叶子，从空气和阳光中收集水以产生氢气。阳光的能量以氢键的形式被储存起来。但这种装置的基底不是用传统的对阳光不透明的层来构建电极，而是实际上是一个由毛毡玻璃纤维组成的3维网。这项工作的主要作者MarinaCaretti说："开发我们的原型设备是具有挑战性的，因为透明的气体扩散电极以前没有被证明过，我们必须为每个步骤开发新的程序。然而，由于每个步骤都相对简单且可扩展，我认为我们的方法将为广泛的应用打开新的视野，从用于太阳能驱动的氢气生产的气体扩散基板开始。"从液态水到空气中的湿度Sivula和其他研究小组先前已经表明，通过使用一种被称为光电化学（PEC）电池的装置从液态水和阳光中产生氢燃料，有可能进行人工光合作用。一般来说，PEC电池是一种利用入射光刺激浸在液体溶液中的光敏材料（如半导体）来引起化学反应的装置。但就实际用途而言，这一过程有其缺点，例如，制造使用液体的大面积PEC装置很复杂。Sivula想表明，PEC技术可以改用于收集空气中的湿度，从而导致他们开发了新的气体扩散电极。电化学电池（例如燃料电池）已经被证明可以用气体而不是液体来工作，但是之前使用的气体扩散电极是不透明的，与太阳能供电的PEC技术不兼容。现在，研究人员正将他们的努力集中在优化该系统上。理想的纤维尺寸是多少？理想的孔径大小？理想的半导体和膜材料是什么？这些都是欧盟项目"Sun-to-X"正在研究的问题，该项目致力于推进这项技术，并开发将氢气转化为液体燃料的新方法。制作透明的气体扩散电极为了制造透明的气体扩散电极，研究人员从一种玻璃棉开始，它是一种石英（也称为氧化硅）纤维，并通过在高温下将纤维熔合在一起，将其加工成毡片。接下来，晶片被涂上一层透明的掺氟氧化锡薄膜，这种薄膜以其出色的导电性、坚固性和易于扩展而闻名。这些最初的步骤产生了一个透明、多孔和导电的晶圆，这对于最大限度地接触空气中的水分子和让光子通过至关重要。然后，晶圆再次被涂层，这次是一层吸收阳光的半导体材料的薄膜。这第二层薄涂层仍然让光通过，但由于多孔基质的大表面积而显得不透明。就像现在这样，一旦暴露在阳光下，这种涂层的晶圆已经可以生产氢燃料。科学家们继续建造了一个包含涂层晶片的小室，以及一个用于分离产生的氢气以进行测量的薄膜。当他们的小室在潮湿的条件下暴露在阳光下时就会产生氢气，实现了科学家们设定的目标，显示出用于太阳能驱动的氢气生产的透明气体扩散电极的概念是可以实现的。虽然科学家们在他们的演示中没有正式研究太阳能到氢气的转换效率，但他们承认，对于这个原型来说效率相对不高，目前还不如在基于液体的PEC电池中实现得更好。基于所使用的材料，涂层硅片的最大理论太阳能-氢气转换效率为12%，而液体电池的效率已被证明高达19%。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339415.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339415.htm

在液流电池中加糖可大幅提高功率和寿命

在液流电池中加糖可大幅提高功率和寿命通常情况下，它们由两种液体组成，一种是阳离子溶液，另一种是阴离子溶液，这两种液体被分开储存，然后在需要能量时通过离子选择膜两侧的泵来产生电流。这样做有一定的好处：例如，可以将耗尽的电解液换成带电的电解液，从而为系统"加油"；或者也可以使用电网电源逆向放电循环，为系统充电。太平洋西北国家实验室的研究人员率先尝试将一种名为β-环糊精的糖溶解到电池的电解液中，希望它能帮助解决一个完全不同的问题。新研究的第一作者冯若竹（RuozhuFeng）说："我们正在寻找一种简单的方法，将更多的芴醇（fluorenol）溶解到我们的水基电解液中。β-环糊精在一定程度上帮助我们做到了这一点，但它真正的好处是具有令人惊讶的催化能力。"离子选择膜允许带正电荷的离子在充电和放电循环期间在两种电解质之间移动，使电子通过外极板和电路。β-环糊精添加剂是淀粉的衍生物，在这里显示为粉红色，它大大加速了这一反应。他们与耶鲁大学的研究人员合作，找出了这种促进作用背后的机制--糖接受带正电荷的质子，平衡了向细胞膜移动和穿过细胞膜的带负电荷电子的运动。经过调整后将反应速率提高了60%，从而将电池的有效功率水平提高了60%。这些糖完全溶解在电解液中，而伊利诺伊理工大学的研究成果Influit液流电池技术则完全不同。Influit使用的是悬浮在粘性流体中的活性金属氧化物电池材料的微小固态纳米颗粒，并称其电池速度足以用于汽车，全系统能量密度比目前的锂电池组高4-5倍。"这是开发液流电池电解液的一种全新方法，"PNNL长期电池研究员、该研究的主要研究员王伟说。"我们发现，可以使用一种完全不同的催化剂来加速能量转换。此外，由于它溶解在液体电解质中，因此消除了固体脱落和污染系统的可能性"。新型电解液看起来平平无奇功率输出得到优化后，研究小组开始进行耐久性测试，以确定糖添加剂是否会影响电解液的使用寿命。研究人员对电池进行了长达一年多的连续充放电，只有在塑料管破裂时才停止充放电，结果惊讶地发现电池容量的损失微乎其微。值得注意的是，液流电池的寿命通常比锂电池要长得多，但即便如此，研究人员说，这是首次有任何已知的液流电池显示出如此长的寿命。作为一家机构，PNNL正在大力解决电网级储能问题，其"电网储能发射台"将于2024年投入使用。该团队已经为这项新技术申请了专利，并开始试用其他类似的化合物，它们可能会更好地完成同样的工作。该研究发表在《焦耳》（Joule）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370907.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370907.htm

储能“新未来” 混合液流锂电池将兼具高能量密度和可扩展储量

储能“新未来”混合液流锂电池将兼具高能量密度和可扩展储量他说：“液流电池的能量密度比固体存储材料电池低10倍左右。我认为，溶解在电解质中的存储材料越多，液流电池的能量密度就越高。然而，高浓度会使溶液变稠，你需要更多的能量才能将其泵入电池。”Robber想要开发一种介于液流电池和锂离子电池之间的混合电池，方法是在液流电池的储罐中嵌入固体储存材料。他说：“如果溶解材料和固体储存材料精确匹配，它们就能相互传递能量。这使得液流电池的可扩展性能与固体存储材料的高能量密度相结合。”Robber承认，他首先必须确定合适的材料，这些材料必须可以在20年的运行期内稳定地用于储罐。他还提到螯合物是溶解存储材料的可能候选物，并将其描述为“包裹”在金属离子周围的多臂有机分子。他说：根据有机分子（配体）的内结构，氧化还原电位会发生变化。Reber说他并不需要从头开始这个项目，因为他此前已经研发了一种基于螯合物的氧化还原液流电池。未来，他还将进一步研究，希望能开发出一种功能良好、具有额外固体存储空间的电池。“如果这种方法可行，潜在的应用将非常多样化。只需要水泵和几根管子就可以了。”他说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397783.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397783.htm

科学家发现可再生能源的新来源：分解植物物质

科学家发现可再生能源的新来源：分解植物物质鉴于能源价格不断上涨及燃烧化石燃料对全球气候的影响迅速显现，科学家们从未像现在这样迫切地需要发现通往真正可再生产品和燃料的途径。来自密歇根州立大学自然科学学院的有机化学教授NedJackson说道：“我们在美国每天使用2000万桶石油；这约是世界用量的1/5。我们所有的液体燃料和几乎所有的人造材料，从汽油和加仑壶到台面和衣服都是从石油--原油开始的。”为日常生活的所有这些方面提供从化石燃料转向可再生碳源的手段是至关重要的。然而根据最乐观的估计，Jackson称--“在美国，我们每年可以从生物质中收获的东西，其碳含量约只有国家使用的原油的2/3。”Jackson与另一位研究人员YutingZhao已经发现了一种化学过程，他们利用电和水来打破生物质或植物物质中的强化学键。这种“电催化”方法可以应用于木质素--一种富含碳元素的生物质成分，通常作为造纸的副产品被浪费或烧掉。这项新技术有可能被用来销毁环境污染物。这项研究最近发表在《NatureCommunications》上。一个全球目标是利用生物质中储存的碳和能量，从而使其能取代石油，但需要新的、有效的方法来将这种复杂、坚韧、低能量的材料分解成燃料和产品的组成部分。具体而言，需要有工具来断开将其捆绑在一起的强大化学键，与此同时尽可能多地保留--甚至提高--碳和能源含量。“推动我们的一个想法是，我们对石油的主要用途是燃烧产生能量的燃料并给大气层增加温室气体，”Jackson说道，“新的科学是朝着提取有用的碳化合物以取代我们今天使用的部分化石石油迈出的一步。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1301621.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1301621.htm

科学家巧妙"破解"光合作用 为可再生能源的突破铺平道路

科学家巧妙"破解"光合作用为可再生能源的突破铺平道路由剑桥大学领导的一个由物理学家、化学家和生物学家组成的国际团队能够在活细胞中以超快的时间尺度研究光合作用--植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程：百万分之一秒。尽管它是地球上最知名和研究最充分的过程之一，研究人员发现光合作用仍然有秘密可言。利用超快光谱技术研究能量的运动，研究人员发现能够从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段就这样做了，而不是像以前认为的那样在很久以后。光合作用的这种"重新布线"可以改善它处理过剩能量的方式，并创造出新的和更有效的使用其能量的方法。这一结果于3月22日在《自然》杂志上报告。尽管光合作用是一个广为人知且被广泛研究的过程，剑桥大学的研究人员发现它仍有隐藏的秘密。通过采用超快光谱技术，他们发现从负责光合作用的分子结构中提取电子发生在比以前假设的更早的阶段。光合作用的这种"重新布线"可能会导致更好地管理过剩的能量，并开发出新的、更有效的方法来利用其潜力。剑桥大学优素福-哈米德化学系的JennyZhang博士说："我们对光合作用的了解并不像我们想象的那样多，我们在这里发现的新的电子转移途径完全令人惊讶。"他负责协调这项研究。虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用它来帮助解决气候危机，例如，通过模仿光合作用过程，从阳光和水产生清洁燃料。张和她的同事最初试图了解为什么一种叫做醌的环形分子能够从光合作用中"偷"走电子。醌在自然界中很常见，而且它们可以很容易地接受和送出电子。研究人员使用一种叫做超快瞬时吸收光谱的技术来研究醌在光合作用蓝细菌中的表现。一个国际科学家小组以百万分之一秒的超快时间尺度研究了活细胞中的光合作用。尽管得到了广泛的研究，光合作用仍然隐藏着未被发现的秘密。通过采用超快光谱技术，研究小组发现，化学物质在比以前认为的更早的阶段从参与光合作用的分子结构中提取电子。这种"重新布线"可以加强该过程对多余能量的处理，并产生新的、有效的方法来利用其力量。张说："没有人正确地研究过这种分子如何在光合作用的早期阶段与光合作用机器相互作用：我们以为我们只是用一种新技术来证实我们已经知道的东西。相反，我们发现了一个全新的途径，并进一步打开了光合作用的黑盒子。使用超快光谱观察电子，研究人员发现，发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是"泄漏的"，允许电子逃逸。这种泄漏性可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的损害。"光合作用的物理学令人印象深刻，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的托米-贝基说，"通常情况下，我们在高度有序的材料上工作，但观察电荷在细胞中的传输为新发现大自然如何运作提供了非凡的机会。""由于来自光合作用的电子分散在整个系统中，这意味着我们可以接触到它们，"共同第一作者劳拉-韦博士说，她在生物化学系从事这项工作，现在在芬兰图尔库大学工作。我们不知道这一途径的存在这一事实令人振奋，因为我们能够利用它为可再生能源提取更多的能量。"研究人员能够在光合作用过程的早期操纵光合作用途径从太阳产生清洁燃料时，可以使该过程更加有效。此外，调节光合作用的能力可能意味着可以使农作物更能够忍受强烈的阳光。许多科学家曾试图从光合作用的早期阶段提取电子，但说这是不可能的，因为能量是如此埋没在蛋白质支架中，张说。"我们可以在更早的过程中偷取它们，这一事实令人震惊。起初，我们认为我们犯了一个错误：我们花了一段时间来说服自己我们做到了。"这一发现的关键是使用了超快光谱学，它使研究人员能够在飞秒级--万亿分之一秒--上跟踪活体光合细胞中的能量流动。共同作者、生物化学系的克里斯托弗-豪（ChristopherHowe）教授说："使用这些超快方法使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，而地球上的生命正是依赖于此。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1351213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1351213.htm