研究人员找到捕获未来潜在清洁能源的分子级解决方案

研究人员找到捕获未来潜在清洁能源的分子级解决方案宾夕法尼亚州立大学化学工程与化学教授伯特-钱德勒（BertChandler）表示，这种奇异现象在1964年首次被描述，最近作为一种利用氢气生产清洁能源的潜在途径，它赢得了更多关注。这在很大程度上是因为，虽然研究人员近60年来一直能够识别氢溢出现象，但直到现在，还没有人能够对其进行量化并描述支撑这一现象的机制。钱德勒说，宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组凭借一些运气和大量工作，发现了氢溢出现象发生的方式和原因，并首次对这一过程进行了定量测量。他们在《自然-催化》（NatureCatalysis）杂志上发表了他们的研究成果。钱德勒说，这项工作为更好地理解和开发氢的活化和储存提供了机会。传统的氢气储存需要大量的能量才能使氢气保持足够的冷却以保持液态。然而，研究团队利用他们独特的金-钛系统证明，他们可以在需要较少能量的较高温度下，有效、高效、可逆地将氢分子分解为氢原子--这是诱导氢溢出所需的过程。该论文的通讯作者钱德勒说："我们现在能够解释氢溢出是如何工作的，为什么它能工作，以及是什么驱动了它。而且，我们第一次能够测量它--这是关键所在。一旦量化了它，你就能看到它是如何变化的，找出控制它的方法，并找出如何将它应用到新问题上。"该示意图说明了类氢原子如何溢出金属并吸附到氧化钛上。资料来源：BertChandler/宾夕法尼亚州立大学提供在氢溢出系统中，氢气发生反应分裂成氢原子等价物--一个质子和一个电子，但其排列方式与典型的排列方式略有不同。在这个系统中，质子附着在材料表面，而电子则进入半导体氧化物的近表面导带。钱德勒说，研究人员希望学会用它们来测试更先进的化学应用，比如将原子转化为清洁燃料和储氢。钱德勒说："半导体这一块很重要，因为氢原子等价物的质子在表面，电子在次表面--它们仍然靠近在一起，但被导电表面隔开了，"他解释说，这种小的分离避免了电荷分离通常需要的巨大能量损失。"对于几乎所有的吸附系统来说，你必须有有利的热吸附才能克服通过吸附将气体分子吸入固体所需的能量损失。这在熵上是不利的。"熵代表了推动一个过程所需的不可用热能。换句话说，熵是能量向子态的分散，就像冰融化成水时，无法获得保持分子固态的能量一样。钱德勒说，能量需要平衡，而在这些系统中，测量熵对平衡的贡献几乎是不可能的。氢溢出是1964年在铂-钨-氧化物系统中首次发现的，此后在不同的系统中也观察到了氢溢出。钱德勒解释说，直到最近，研究人员还认为氢原子等价物与纳米粒子层结合牢固，需要更多的热能来打破这些结合，产生更多的溢出。然而，大多数氢溢出促进系统都很混乱，因为溢出物与纳米粒子和半导体氧化物基底的键合强度可能会出现变化。钱德勒将这种现象称为"模糊吸附"，描述了这种模糊的粘性结合，它掩盖了真正的吸附，并掩盖了驱动溢出的因素：热能或熵。钱德勒说："我们想出了在另一个系统中测量溢出吸附的方法：氧化钛上的金。金几乎不需要热能就能启动与氢的反应，而且它只在与氧化钛基质的界面上激活反应。这意味着氢不会吸附在金上，因此我们可以量化产生的所有溢出物，因为它们都流向了基底，而不会在金上留下任何咝咝声。"没有了"咝咝声"，研究人员意识到吸附力很弱，这"与大家的认知背道而驰"。在没有热能这个重要变量的情况下，研究人员确定只有熵能驱动原子从金转移到基底上。以前的研究人员可以准确测量吸附量，因为氧化物上的弱吸附掩盖了金属的溢出量。研究人员没有发明新的化学方法，只是收集了数据。足足花了六年时间进行测量和重新测量，从而填补了认识上的这个空白：熵驱动氢溢出。研究人员说，他们现在正计划研究有助于更好地储存氢气的材料类型。钱德勒认为，这项工作是向清洁能源开发迈出的一步，也是科学过程如何发挥作用的一个突出例子。钱德勒说："科学是一个自我修正的过程--如果你发现了一些不合理的地方，你就会努力把它搞清楚。我们很早就知道溢出效应，但没有人找到合适的系统来量化和理解它。我们收集了数据，并找出了解释这一现象的方法。事实证明，我们使用的能量平衡并不总是显而易见的，熵可以驱动我们意想不到的事情。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381159.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381159.htm

利用细菌和阳光 研究人员开辟通向可持续能源的革命性道路

利用细菌和阳光研究人员开辟通向可持续能源的革命性道路罗切斯特大学的研究人员利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂，并利用细菌向系统提供电子，从而模拟了光合作用。该系统浸没在水中，由光驱动。细菌（大棒状）与纳米粒子催化剂（橙色小点）相互作用产生氢气（H2，气泡）。图片来源：罗切斯特大学插图/MichaelOsadciw在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，罗切斯特大学RichardS.Eisenberg化学教授KaraBren和化学教授ToddKrauss揭示，Shewanellaoneidensis细菌可作为他们的人工光合作用系统的一种经济高效的电子源。通过利用这些微生物的独特性质和纳米材料，该系统有可能取代目前从化石燃料中提取氢气的方法，彻底改变氢燃料的生产方式，并释放出强大的可再生能源。Bren说："氢气无疑是能源部目前高度关注的一种燃料。如果我们能够找到一种从水中高效提取氢气的方法，这将带来清洁能源的惊人增长"。理想的燃料氢是"一种理想的燃料"，因为它对环境友好，是化石燃料的无碳替代品。氢是宇宙中最丰富的元素，可以从多种来源生产，包括水、天然气和生物质。化石燃料会产生温室气体和其他污染物，而氢与化石燃料不同，在燃烧时唯一的副产品就是水蒸气。氢燃料还具有高能量密度，这意味着其单位重量含有大量能量。氢燃料可用于燃料电池等多种用途，既可小规模生产，也可大规模生产，因此从家庭使用到工业制造都可行。使用氢气的挑战尽管氢储量很丰富，但地球上几乎没有纯净的氢；氢几乎总是与碳或氧等其他元素结合在碳氢化合物和水等化合物中。要将氢用作燃料，必须从这些化合物中提取。科学家历来从化石燃料中提取氢气，或者最近从水中提取氢气。为了实现后者，人们大力推动采用人工光合作用。在自然光合作用过程中，植物吸收阳光，并利用阳光进行化学反应，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。从本质上讲，光能被转化为化学能，为生物体提供燃料。同样，人工光合作用是将丰富的原料和阳光转化为化学燃料的过程。模拟光合作用的系统需要三个组成部分：光吸收器、制造燃料的催化剂和电子源。这些系统通常浸没在水中，光源为光吸收器提供能量。能量使催化剂将提供的电子与周围水中的质子结合，产生氢气。然而，目前大多数系统在生产过程中都依赖化石燃料，或者没有有效的电子传递方式。Bren说："目前生产氢燃料的方式实际上使其成为一种化石燃料。"我们希望通过光驱动反应从水中获得氢气，这样我们就能获得真正的清洁燃料，而且在此过程中不会使用化石燃料。"Krauss的研究小组和布伦的研究小组大约十年来一直致力于开发一种采用人工光合作用、利用半导体纳米晶体作为光吸收剂和催化剂的高效系统。研究人员面临的一个挑战是找到电子源，并将电子从电子供体有效地转移到纳米晶体上。其他系统使用抗坏血酸（俗称维生素C）将电子送回系统。虽然维生素C看起来很便宜，但"需要一个几乎免费的电子源，否则系统就太昂贵了，"Krauss说。Krauss和Bren在论文中报告了一种不太可能的电子供体：细菌。他们发现，Shewanellaoneidensis（一种最早从纽约州北部Oneida湖采集的细菌）为他们的系统提供了一种有效的免费、高效的电子供给方式。Bren说："虽然其他实验室已经将纳米结构与细菌结合起来，但所有这些工作都是从纳米晶体中获取电子并将其输入细菌，然后利用细菌机器制备燃料。据我们所知，我们是第一个反其道而行之，将细菌作为纳米晶体催化剂的电子源的案例"。当细菌在厌氧条件下生长，在有氧气的条件下呼吸细胞物质作为燃料，在此过程中释放电子。Shewanellaoneidensis可以利用自身内部新陈代谢产生的电子，并将其捐献给外部催化剂。未来的燃料布伦设想，未来每个家庭都可能拥有大桶和地下储氢罐，利用太阳能生产和储存小批量氢气，使人们能够用廉价、清洁的燃料为家庭和汽车提供动力。布伦指出，目前已有火车、公共汽车和汽车使用氢燃料电池，但几乎所有为这些系统提供动力的氢都来自化石燃料。她说："新技术已经问世，但在不使用化石燃料的情况下，氢气通过光驱动反应从水中产生之前，对环境并没有真正的帮助。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371103.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371103.htm

研究人员拥玻璃涂层加固DNA 新材料强度是钢的4倍

研究人员拥玻璃涂层加固DNA新材料强度是钢的4倍虽然DNA因其密集的数据存储特性而闻名，但作为一种纳米级建筑材料，它也可以大有作为。它可以拉伸或皱缩，甚至可以自我组装成各种形状。另一方面，玻璃看似易碎，但其破碎倾向通常来自裂缝等缺陷--无瑕疵的玻璃可以坚固得令人难以置信。有趣的是，小块玻璃几乎总是完美无瑕的。新研究的研究人员正是利用了这一点。他们首先利用DNA进行编程，使其自我组装成格子状。然后将其涂在玻璃材料上，形成只有几百个原子厚的玻璃层。最终的结果是涂有玻璃的DNA细链，这种DNA细链在两种材料的支持下获得了强度，而且重量很轻，因为这些DNA细链形成了一个包围着大部分空隙的框架。上图：DNA如何自组装成晶格形状的示意图。下图：材料在不同放大倍数下的显微镜图像/康涅狄格大学科学家们在测试中发现，他们的玻璃DNA纳米晶格材料的抗压强度高达5千兆帕斯卡（GPa），这种强度是钢的四倍，但密度只有钢的五分之一。该研究的共同通讯作者Seok-WooLee说："在给定的密度下，我们的材料是已知强度最高的。"研究小组的下一步工作是对配方进行实验，包括尝试不同的DNA结构，以及将玻璃换成碳化物陶瓷等材料，看看能否使其更加坚固。该研究的共同通讯作者奥列格-刚（OlegGang）说："利用DNA创建设计好的三维框架纳米材料并使其矿化的能力，为工程力学性能带来了巨大的机遇。但在将其作为一项技术加以应用之前，我们仍需开展大量研究工作。"这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373147.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373147.htm

研究人员找到控制一亿度核聚变等离子体热量的方法

研究人员找到控制一亿度核聚变等离子体热量的方法京都大学的研究人员建立了一个模型，用于预测和控制聚变反应堆中氢分子的旋转温度。这一发现有助于冷却等离子体和优化聚变装置的性能，为未来聚变发电的进步提供了启示。托卡马克--甜甜圈形核聚变反应堆中封闭的极高温等离子体通常高达1亿摄氏度，会对这些巨型装置的封闭壁造成损坏。研究人员在装置壁附近注入氢气和惰性气体，通过辐射和重组冷却等离子体，这与电离作用正好相反。减轻热负荷对于延长未来聚变装置的使用寿命至关重要。了解和预测氢分子在器壁附近的振动和旋转温度过程可以增强重组，但有效的策略仍然难以捉摸。在三个不同的托卡马克中测量了从面向等离子体表面解吸的氢分子的旋转温度；还评估了等离子体中碰撞辐射过程导致的温度升高。图片来源：KyotoUGlobalComms/TaiichiShikama京都大学领导的一个国际研究小组最近找到了一种方法，可以解释在日本和美国的三个不同实验聚变装置中测得的旋转温度。他们的模型评估了氢分子的表面相互作用和电子-质子碰撞。模型的通讯作者、京都大学工学研究院的NaoYoneda补充说："在我们的模型中，我们针对低能级的旋转温度进行了评估，使我们能够解释几个实验装置的测量结果。"通过预测和控制壁面附近的旋转温度，研究小组能够驱散等离子体热通量并优化装置的工作条件。"我们仍然需要了解氢的旋转振动激发机制，"Yoneda说，"但我们很高兴，我们模型的多功能性也使我们能够再现文献中报告的测量旋转温度。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379355.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379355.htm

研究人员开发出可直接从空气中制取氢气的方法

研究人员开发出可直接从空气中制取氢气的方法澳大利亚研究人员已经开发并测试了一种在地球上任何地方可以直接从空气中电解氢气的方法。据悉，在这个过程中，并不需要任何其他淡水来源。直接空气电解器(DAE)吸收并转换大气中的水分--甚至低至“极干燥的”4%的湿度。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316073.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316073.htm

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率北京理工大学的研究人员设计了一种具有非晶相和晶相以及丰富缺陷的电催化剂，可以更有效地分解水并产生清洁燃烧的氢气。图片来源：纳米研究能源，清华大学出版社研究人员的研究结果最近发表在《纳米研究能源》杂志上。中国科学院教授李翠玲表示：“由可再生能源驱动的水电解制氢，即利用电流分解水，将氢气与氧气分离，是缓解和解决能源和环境危机的一项有前景的技术。”析氧反应是水电解的阳极反应，其中直流电引起化学反应，将氧分子从水分子中分离出来。然而这种反应是“一个缓慢的过程”，它限制了水电解作为生产氢气的可持续机制。据李说，析氧反应很慢，因为它需要大量的能量来触发分子转移其成分，但如果与更高效的催化剂结合，可以用更少的能量加速。开发用于析氧反应的高效电催化剂对于开发用于清洁能源转换的电化学装置至关重要，研究人员转向氧化钌，这是一种成本较低的催化剂，与其他催化剂相比，它对反应物和中间体的粘附更少。李说：“与商业产品相比，氧化钌基纳米材料具有更好的析氧反应性能，而迫切需要更复杂的电催化剂设计策略来激发更有效的催化性能，并且在很大程度上尚未得到探索。”为了填补这一空白，研究人员合成了氧化钌多孔颗粒。然后，他们处理颗粒以产生合理调节的异相，这意味着颗粒包含集成在一起的不同结构。多孔和多相结构提供了一种缺陷-本质上是原子结构中的缺口，这使得析氧反应能够更有效地进行更多的活性位点。李说：“得益于所得样品的丰富缺陷、晶体边界和活性位点可及性，证明了优异的析氧反应性能。工程电催化剂不仅能产生更好的析氧反应，而且还可以产生更好的析氧反应。为该过程提供更少的电力。这项研究证明了相工程的重要性，并为策略组合催化剂的设计和合成提供了新途径。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368041.htm