新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本

新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本 大气中的二氧化碳含量已达到前所未有的高度，这就更加需要清洁能源解决方案来替代化石燃料。研究人员面临的一个障碍是，目前的燃料电池技术依赖于使用昂贵的金属催化剂（如铂）来将氢气转化为能量；然而，弗吉尼亚大学艺术与科学学院和研究生院的一个研究小组发现了一种有机分子，它可以有效地替代传统的金属催化剂，而且成本更低。燃料电池使电动汽车、工业和民用发电机成为可能，也是储存风能或太阳能所需的能源，它使用铂等金属引发化学反应，将氢气等燃料分裂成质子和电子，然后利用这些质子和电子发电。到目前为止，稀有金属催化剂的有机替代品还不被认为是实用的，因为催化过程会导致它们分解成不再有用的组成部分。然而，在《美国化学学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授查尔斯-马坎和迈克尔-希林斯基，以及博士生艾玛-库克和安娜-戴维斯，发现了一种由碳、氢、氮和氟组成的有机分子，它有可能成为一种实用的替代品。马坎说，这种分子不仅可以启动氧气的还原反应（这是燃料电池内部发生的反应），还可以继续与反应产物发生反应，然后恢复到原来的状态。这些分子在大多数分子降解的条件下都很稳定，而且它们能持续获得与过渡金属催化剂水平相当的活性。查尔斯-马坎（左）和迈克尔-希林斯基（右）发现了一种有机分子，它可以取代燃料电池中稀有而昂贵的金属。资料来源：弗吉尼亚大学这一发现为寻找使用可持续性更强、生产成本更低的材料的高效燃料电池迈出了重要一步，并有可能在未来五到十年内开发出下一代燃料电池。"这种分子本身可能无法应用于燃料电池，"马坎说。"这一发现表明，可以存在碳基催化材料，如果用某些化学基团对其进行修饰，就有望将其转化为氧气还原反应的催化剂。最终的目标是将这种分子如此稳定的特性整合到大块材料中，以取代铂的使用。"希林斯基的研究小组主要研究有机化学，他强调了研究小组跨学科性质的重要性。"希林斯基说："我们用作催化剂的这种分子在我的实验室已有历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些反应是在更大的含碳分子上进行的，比如药物中的活性成分。"如果没有查理-马坎的专业知识，我不认为我们会把它与燃料电池化学联系起来"。这一发现还可能对过氧化氢的工业生产产生影响，过氧化氢是一种家用产品，也可用于造纸和废水处理。"制造过氧化氢的过程对环境不友好，而且非常耗能，"马坎说。"它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放出用于生成过氧化氢的氢气。"他的团队的研究成果还可以改进该工艺的催化部分，从而对工业和环境以及水处理技术产生积极影响。希林斯基还指出，这一发现以及由此引发的合作所产生的影响可能远远超出能量储存的范围。"从大的方面来说，这项研究最令人兴奋的一点是，通过使催化剂电气化，我们改变了催化剂的反应方式。这是意料之外的事情，也可能对药物合成有用，我的研究小组正急于探索这一点。"马坎的研究小组主要从事分子电化学研究，他还将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。"如果没有小组在制造能够进行必要反应的稳定有机分子方面的专有技术，这项工作就不可能完成。这种独特的有机分子使我们能够做到通常只有过渡金属才能做到的事情，"马坎说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能 一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了 SOFC 的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授和釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC 的 LSM-YSZ 电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员 Yoon-Seok Choi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高 LSM-YSZ 复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需 4 分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过 400 小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在 650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度（142 mW/cm² → 418 mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率 在全球努力摒弃化石燃料的过程中，燃料电池成为一种无碳排放的显著能源。这些电池由阳极和阴极组成，并由电解质隔开，直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被送入阳极，氧化剂（通常是空气中的氧气）被送入阴极。在氢燃料电池中，氢在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子则流经外部电路，产生电能。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产品。然而，水的存在会影响燃料电池的性能。它与铂（Pt）催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂（PtOH），阻碍了氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要较高的铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。但新的研究发现，咖啡因通过提高氧还原反应的活性可以改善燃料电池的性能。咖啡因在定义明确的铂单晶电极上的吸附结构，以及咖啡因改性前（蓝色条）和改性后（橙色条）燃料电池空气电极的活性。资料来源：千叶大学教授 Nagahiro Hoshi在最近发表于《通讯化学》（Communications Chemistry）杂志上的一项研究中，Nagahiro Hoshi 教授与日本千叶大学工程研究生院的 Masashi Nakamura、Ryuta Kubo 和 Rui Suzuki 发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提高 ORR 的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更经济、更高效。Hoshi 教授说："咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，在原子排列呈六角形结构的定义明确的铂电极上，它能将燃料电池反应的活性提高 11 倍。"咖啡因对铂电极的影响为了评估咖啡因对 ORR 的影响，研究人员测量了通过浸入含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，即 (111)、(110) 和 (100)。随着电解液中咖啡因浓度的增加，电极的 ORR 活性明显提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效阻止氢吸附和氧化铂在电极上的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的取向。当咖啡因摩尔浓度为 1 × 10-6 时，Pt(111) 和 Pt(110) 上的 ORR 活性分别增加了 11 倍和 2.5 倍，而对 Pt(100) 没有明显影响。为了理解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法研究了咖啡因在电极表面的分子取向。他们发现，咖啡因在铂(111)和铂(110)表面被吸收时，其分子平面垂直于表面。然而，在铂(100)表面，立体阻碍导致咖啡因的分子平面相对于电极表面倾斜。"Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由于PtOH覆盖率降低和吸附的咖啡因的立体阻碍降低。相反，对于 Pt(100)，PtOH 减少的效果被吸附的咖啡因的立体阻碍抵消，因此咖啡因不会影响 ORR 活性，"Hoshi 教授解释说。与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就能发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有望改进燃料电池的设计，并使其得到广泛应用。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池 美国西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物驱动的燃料电池，其性能大大优于同类技术，并为低能耗设备提供了一种可持续的供电解决方案。燃料电池的 3D 打印帽露出地面。盖子可以防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。图片来源：Bill Yen/西北大学为了测试这种新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和探测触摸的传感器供电，这种能力对于追踪路过的动物非常有价值。为了实现无线通信，研究人员还为土壤供电传感器配备了一个微型天线，通过反射现有的无线电频率信号将数据传输到邻近的基站。这种燃料电池不仅能在潮湿和干燥的条件下工作，而且其功率比同类技术高出 120%。这项研究成果将于今天（1月12日）发表在《交互、移动、可穿戴和泛在技术计算机械协会论文集》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies）上。研究报告的作者还将向公众发布所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用并在此基础上开展研究。"物联网（IoT）中的设备数量在不断增长，"领导这项工作的西北大学校友比尔-颜（Bill Yen）说。"如果我们想象未来会有数万亿台这样的设备，我们就不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池，它利用特殊微生物分解土壤，并利用低能量为传感器供电。只要土壤中有供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去"。该研究的主要作者比尔-颜（Bill Yen）在西北大学实验室测试时埋入燃料电池。资料来源：美国西北大学西北大学的 George Wells 是这项研究的资深作者，他说："这些微生物无处不在，它们已经生活在各处的土壤中。我们可以使用非常简单的工程系统来捕捉它们的电力。我们不会用这种能量为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量，为实用的低功率应用提供燃料。"威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系副教授。Yen 现在是斯坦福大学的博士生，当他还是 Wells 实验室的一名本科生研究员时，就开始了这个项目。近年来，全球越来越多的农民采用精准农业作为提高作物产量的策略。这种技术驱动的方法依靠精确测量土壤中的水分、养分和污染物含量，从而做出提高作物健康水平的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。Yen说："如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，你只能在传感器上安装电池或收集太阳能。太阳能电池板在肮脏的环境中无法正常工作，因为它们会被灰尘覆盖，在太阳不出来的时候无法工作，而且会占用很大的空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电力。农民不会绕着 100 英亩的农场定期更换电池或清除太阳能电池板上的灰尘。"为了克服这些挑战，威尔斯、Yen 和他们的合作者想知道，他们是否可以从现有环境中获取能量，也就是从农民正在监测的土壤中获取能量。基于土壤的微生物燃料电池（MFC）于 1911 年首次出现，其工作原理与电池类似具有阳极、阴极和电解质。但 MFC 并不使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电能，这些细菌会自然地向附近的导体提供电子。当这些电子从阳极流向阴极时，就形成了一个电路。燃料电池从地下取出进行研究后，被泥土覆盖。图片来源：Bill Yen/西北大学但是，为了让微生物燃料电池不受干扰地运行，它们需要保持水分和氧气，而这在埋于地下的干燥泥土中是很难做到的。Yen说："虽然MFC作为一种概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了人们对其进行实际应用，尤其是在低湿度条件下。"考虑到这些挑战，Yen 和他的团队开始了为期两年的开发实用、可靠的基于土壤的 MFC 的旅程。他的考察包括创建和比较四种不同的版本。首先，研究人员对每种设计的性能进行了长达九个月的数据收集。然后，他们在室外花园测试了最终版本。性能最好的原型既能在干燥条件下工作，也能在水浸环境下工作。其成功的秘诀是它的几何形状。获胜的燃料电池没有采用阳极和阴极相互平行的传统设计，而是采用了垂直设计。阳极由碳毡（一种廉价、丰富的导体，可捕捉微生物的电子）制成，与地表水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直置于阳极之上。虽然整个装置是埋在地下的，但垂直设计确保了上端与地表齐平。设备顶部有一个 3D 打印的盖子，以防止碎片掉落。顶部的小孔和阴极旁的空气室可以保证稳定的气流。阴极的下端一直深埋在地表之下，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使地表土壤在阳光下变干也是如此。研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，使其在洪水中能够呼吸。而且，在可能发生的洪水过后，垂直设计还能使阴极逐渐变干，而不是一下子变干。平均而言，由此产生的燃料电池所产生的电量是传感器运行所需电量的 68 倍。它还足够坚固耐用，能够承受土壤水分的巨大变化从略微干燥（体积含水量为 41%）到完全浸入水中。研究人员说，他们的土基 MFC 的所有组件都可以在当地五金店买到。下一步，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土基 MFC。这两种设计都绕过了复杂的供应链，避免了使用冲突矿产。"通过COVID-19大流行，我们都熟悉了危机是如何扰乱全球电子产品供应链的，"该研究的合著者、前西北大学教师、现就职于佐治亚理工学院的乔赛亚-赫斯特（Josiah Hester）说。"我们希望制造出使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能获得计算能力"。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95%

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95% 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员在今天（5 月 9 日）发表在《科学》杂志上的一项研究中报告了一种新方法，该方法将反应所需的铱量减少了 95%，而且不会改变氢的生产率。这一突破将彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并有助于实现碳中和的氢经济。合成氧化铱的扫描电子显微镜图像（D）和分散在电沉积在耐腐蚀铂涂层钛网上的氧化锰上的铱（亮点）的扫描透射电子显微镜图像（E、F、G）。资料来源：理化学研究所制氢挑战世界上 70% 的面积被水覆盖，氢气是真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模还无法与化石燃料能源生产相媲美。目前，全球能源产量接近 18 兆瓦，这意味着在任何特定时刻，全球平均生产约 18 万亿瓦特的电力。替代性绿色能源生产方式要想取代化石燃料，就必须能够达到相同的能源生产率。从水中提取氢气的绿色方法是一种需要催化剂的电化学反应。这种反应的最佳催化剂产氢率最高、最稳定的催化剂是稀有金属，其中铱是最好的催化剂。但铱的稀缺是个大问题。共同第一作者孔爽说："铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦级估计需要40年的铱。"催化剂开发的创新理化学研究所 CSRS 的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他方法来长时间高速生产氢气。从长远来看，他们希望开发出基于普通土金属的新型催化剂，这种催化剂将具有高度的可持续性。事实上，该团队最近使用一种氧化锰作为催化剂，成功地将绿色制氢稳定在一个相对较高的水平。不过，以这种方式实现工业水平的生产还需要数年时间。中村隆平说："我们需要一种方法来弥合稀有金属电解槽与普通金属电解槽之间的差距，这样我们就能在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢气。"目前的研究正是通过将锰与铱相结合来实现这一目标。研究人员发现，当他们把铱原子分散在一块氧化锰上，使它们不会相互接触或凝结在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢气产生速度与单独使用铱时相同，但铱含量减少了 95%。潜力和未来方向使用这种新型催化剂，可以连续生产氢气超过 3000 小时（约 4 个月），效率高达 82%，且无降解。合著者李爱龙说："氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们取得成功的关键。这是因为这种相互作用产生的铱处于罕见的高活性 +6 氧化态"。中村隆平认为，新催化剂达到的制氢水平极有可能立即派上用场。他说："我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到现实世界的应用中，这将立即提高目前 PEM 电解器的容量。"研究小组已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。今后，理化学研究所 CSRS 研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学作用，希望能进一步减少必要的铱含量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

用糖制成的廉价催化剂具有消灭甚至再利用二氧化碳的能力

用糖制成的廉价催化剂具有消灭甚至再利用二氧化碳的能力 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 随着碳捕集技术的最新进展，燃烧后碳捕集正在成为帮助解决全球气候变化危机的一个可行方案。但如何处理捕获的碳仍然是一个悬而未决的问题。新型催化剂有可能提供一种解决方案，通过将其转化为更有价值的产品来处理这种强效温室气体。这项研究将发表在 5 月 3 日出版的《科学》杂志上。这项研究的共同负责人、西北大学的 Milad Khoshooei 说："即使我们现在停止排放二氧化碳，由于过去几个世纪的工业活动，我们大气中的二氧化碳仍然会过剩。这个问题没有单一的解决方案。我们需要减少二氧化碳的排放，并寻找新的方法来降低大气中已经存在的二氧化碳浓度。我们应该利用所有可能的解决方案。"该示意图显示了制造催化剂并用其转化二氧化碳的全过程。资料来源：Milad Khoshooei"我们不是第一个将二氧化碳转化为另一种产品的研究小组，"该研究的资深作者、西北大学的 Omar K. Farha 说。"然而，要使这一工艺真正实用，催化剂必须满足几个关键标准：经济性、稳定性、易生产性和可扩展性。平衡这四个要素是关键。幸运的是，我们的材料在满足这些要求方面表现出色"。法尔哈是碳捕集技术方面的专家，现任西北大学温伯格文理学院查尔斯-莫里森（Charles E. and Emma H. Morrison）化学教授。Khoshooei 在加拿大卡尔加里大学攻读博士学位时开始这项工作，现在是 Farha 实验室的博士后研究员。新型催化剂背后的秘密是碳化钼，这是一种硬度极高的陶瓷材料。与许多其他需要昂贵金属（如铂或钯）的催化剂不同，钼是一种廉价、非贵重、地球上富集的金属。要将钼转化为碳化钼，科学家们需要一种碳源。他们在一个意想不到的地方发现了廉价的选择：储藏室。令人惊讶的是，糖几乎家家户户都有的白色颗粒状糖成为了一种廉价、方便的碳原子来源。Khoshooei 说："在我尝试合成这些材料的每一天，我都会从家里带糖到实验室。与催化剂常用的其他类材料相比，我们的材料价格低廉得令人难以置信"。在测试催化剂时，Farha、Khoshooei 和他们的合作者对催化剂的成功留下了深刻印象。催化剂在环境压力和高温（300-600摄氏度）条件下工作，以 100% 的选择性将CO2转化为 CO。高选择性意味着催化剂只对二氧化碳起作用，而不会破坏周围的材料。换句话说，工业界可以将催化剂用于大量捕集气体，并选择性地只针对二氧化碳。此外，催化剂还具有长期稳定性，即保持活性，不会降解。法尔哈说："在化学中，催化剂在几个小时后失去选择性并不罕见。但是，在苛刻的条件下使用 500 小时后，其选择性并没有改变。"这一点尤其引人注目，因为二氧化碳是一种稳定而顽固的分子。"转化二氧化碳并不容易，"Khoshooei 说。"二氧化碳是一种化学性质稳定的分子，我们必须克服这种稳定性，而这需要大量的能量。"开发碳捕集材料是法尔哈实验室的主要工作。他的研究小组开发的金属有机框架（MOFs）是一类高孔隙率的纳米级材料，法尔哈将其比喻为"精密且可编程的洗浴绵"。法尔哈探索 MOFs 的各种应用，包括直接 从空气中提取二氧化碳。现在，法尔哈说，MOFs 和这种新型催化剂可以共同在碳捕集与封存中发挥作用。法尔哈说："在某些时候，我们可以使用 MOF 捕获二氧化碳，然后再使用催化剂将其转化为更有益的物质。利用两种不同材料进行两个连续步骤的串联系统可能是未来的发展方向"。"这可以帮助我们回答'如何处理捕获的二氧化碳'这一问题"。Khoshooei 补充道。"目前的计划是将其封存在地下。但地下水库必须满足许多要求，才能安全、永久地储存二氧化碳。我们希望设计一种更通用的解决方案，可以在任何地方使用，同时增加经济价值。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：