科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池 利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（Matt Rosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（Leverhulme Trust）和法拉第研究所（Faraday Institution）的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家确定可用于搭建月球和火星建筑的潜在溶剂

科学家确定可用于搭建月球和火星建筑的潜在溶剂 这项工作由华盛顿州立大学机械与材料工程学院副教授苏米克-班纳吉（Soumik Banerjee）领导，在《物理化学杂志B》（Journal of Physical Chemistry B）上进行了报道。被称为离子液体的强力溶剂是处于液态的盐。"机器学习工作把我们从 2 万英尺的高度降到了 1000 英尺的水平，"Banerjee 说。"我们能够非常快速地向下选择大量离子液体，然后我们还能科学地理解决定溶剂是否能够溶解材料的最重要因素。"美国国家航空航天局（NASA）资助了Banerjee的工作，作为其Artemis任务的一部分，NASA希望将人类送回月球，然后再送往火星等更深的太空。但是，要使这样的长期任务成为可能，宇航员就必须利用这些地外环境中的材料和资源，使用3D打印技术利用从月球或火星土壤中提取的基本元素制造结构、工具或零件。Banerjee说："对美国国家航空航天局来说，原地资源利用是未来几十年的一件大事。否则，我们将需要从地球运载高得吓人的材料"。获取这些建筑材料必须以环保和节能的方式进行。开采元素的方法也不能使用水，因为月球上没有水。Banerjee 的研究小组十多年来一直在研究用于电池的离子液体，这可能就是答案。然而，在实验室测试每种候选离子液体既昂贵又耗时，因此研究人员利用机器学习和原子级别的建模技术，从数十万种候选离子液体中筛选出了几种。他们寻找那些可以消化月球和火星材料，提取铝、镁和铁等重要元素，可以自我再生，或许还能产生氧气或水作为副产品，帮助提供生命支持的离子液体。在确定溶剂所需的优良品质后，研究人员找到了大约六种非常理想的候选溶剂。成功的重要因素包括组成盐的分子离子的大小、表面电荷密度（即离子单位面积上的电荷）以及离子在液体中的流动性。在另一项研究中，研究人员与科罗拉多大学的研究人员合作，在实验室中测试了几种离子液体溶解化合物的能力。他们希望最终能建造一个实验室规模或中试规模的反应器，并用从月球获取到的材料测试候选溶剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶”

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶” 这项由中国科学家领导完成的重要新能源材料研究成果论文，近日以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。图1. 基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点论文通讯作者刘岗研究员指出，基于太阳能光催化分解水的绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术，其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜即“人工树叶”。目前，常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。在自然界，植物光合作用实现太阳能到化学能的转化过程中，植物叶子中起光合作用的光系统II和光系统I，是以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中，这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发，在本项研究中，研究团队利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂在选定基体上规模化成膜，结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成，实现了半导体颗粒的规模化植入。刘岗介绍说，半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成三维立体的强接触界面，其结构犹如“鹅卵石路面”，使得其不仅具有优异的结构稳定性还具有十分突出的光生电荷收集能力。以钒酸铋为例，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出2倍，且长时连续工作120小时几乎无活性衰减；光电极从1平方厘米放大至64平方厘米后，单位面积的光电流密度仍可保持约70%，远优于目前所知大面积钒酸铋光电极小于30%的活性保持率。在此基础上，进一步同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现光催化分解水制氢面板的规模化制备，在可见光照射下，其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍，超过上百小时持续工作无衰减。刘岗表示，本次研发的液态金属成膜新技术还具有普适性好和原材料易回收等优势，利用氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等商业化半导体颗粒，可实现不同半导体颗粒薄膜在不同基体上的规模化制备，所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。此外，在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后仍可保持95%以上的初始活性。在循环和高效利用方面，通过简单的热水超声处理，即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收再利用，且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。 ... PC版： 手机版：

科学家找到从农业废弃物中提取与制造聚酰胺的新方法

科学家找到从农业废弃物中提取与制造聚酰胺的新方法 聚酰胺具有韧性和柔韧性，可以扭曲和编织而不会断裂。图片来源：Lorenz Manker/EPFL这项发表在《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）杂志上的研究介绍了一种利用从农业废弃物中提取的糖核制造聚酰胺的新方法，聚酰胺是一类以强度和耐久性著称的塑料，其中最著名的是尼龙。这种新方法利用了一种可再生资源，同时还能高效地实现这种转变，并将对环境的影响降到最低。高精度挤出 3D 打印长丝。图片来源：Lorenz Manker/EPFL环境效益和效率Luterbacher 说："典型的化石基塑料需要芳香族基团来赋予塑料刚性这使塑料具有硬度、强度和耐高温等性能特性。在这里，我们得到了类似的结果，但使用的是糖结构，这种结构在自然界中无处不在，而且通常完全无毒，可以提供刚性和性能特性。"该研究的第一作者洛伦兹-曼克（Lorenz Manker）和他的同事们开发出了一种无催化剂工艺，可将木糖二甲基乙二酸酯（一种直接从木材或玉米棒等生物质中提取的稳定碳水化合物）转化为高质量的聚酰胺。该工艺的原子效率高达 97%，令人印象深刻，这意味着几乎所有的起始材料都被用于最终产品，从而大大减少了浪费。挤压后的染色和天然聚酰胺纤维。图片来源：Lorenz Manker/EPFL生物基聚酰胺的性能可与化石基聚酰胺相媲美，为各种应用提供了一种前景广阔的替代材料。更重要的是，这些材料在多次机械循环中表现出显著的弹性，保持了其完整性和性能，而这正是管理可持续材料生命周期的关键因素。这些创新型聚酰胺的潜在应用领域非常广泛，从汽车零件到消费品，都能显著减少碳足迹。研究小组的技术经济分析和生命周期评估表明，与包括尼龙（如尼龙 66）在内的传统聚酰胺相比，这些材料的价格具有竞争力，全球变暖潜能值最高可降低 75%。编译自: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：

科学家发明了不会起火的可回收“水电池” 容量大、寿命长

科学家发明了不会起火的可回收“水电池” 容量大、寿命长 首席研究员、特聘教授马天一说，他们的电池处于水性储能设备这一新兴领域的最前沿，取得的突破大大提高了该技术的性能和寿命。皇家墨尔本理工大学理学院的 Ma 说："我们设计和制造的是水金属离子电池，也可以称之为水电池。"该团队用水来替代有机电解质，使电流在正负极之间流动，这意味着他们的电池不会像锂离子电池那样起火或爆炸。Ma 表示："我们的电池可以安全地拆卸，其材料可以重复使用或回收，从而解决了全球消费者、工业界和政府在使用现有储能技术时所面临的报废处理难题。我们使用的镁和锌等材料在自然界中含量丰富、价格低廉，而且与其他种类电池中使用的替代品相比毒性较低，这有助于降低制造成本，减少对人类健康和环境的风险。"水电池制造工艺的简易性有助于实现大规模生产。能量储存和生命周期潜力如何？该团队制作了一系列小规模试验电池，用于多项同行评审研究，以应对各种技术挑战，包括提高储能能力和寿命。在发表于《先进材料》（Advanced Materials）的最新研究成果中，他们战胜了一个重大挑战枝晶，一种破坏性树枝状突起的生长，这种尖刺状金属突起可能导致短路和其他严重故障。研究小组在受影响的电池部件上涂上了一种名为铋的金属及其氧化物（又称铁锈），作为防止枝晶形成的保护层。结果呢？"现在，我们的电池寿命大大延长，可与市场上的商用锂离子电池媲美，是实际应用中高速和高强度使用的理想选择。凭借惊人的容量和更长的使用寿命，我们不仅推进了电池技术的发展，还成功地将我们的设计与太阳能电池板整合在一起，展示了高效、稳定的可再生能源存储。"该团队的水电池在能量密度方面正在缩小与锂离子技术的差距，目的是尽可能减少单位电量所占用的空间。"我们最近制造了一种镁离子水电池，其能量密度为每公斤 75 瓦时（Wh kg-1），比最新的特斯拉汽车电池高出 30%"。皇家墨尔本理工大学特聘教授马天一（左）和朱凌峰博士与团队的水电池。图片来源：皇家墨尔本理工大学 Carelle Mulawa-Richards这项研究发表在《小型结构》上。"下一步是通过开发新的纳米材料作为电极材料，提高我们水电池的能量密度"。Ma 说，镁可能是未来水电池的首选材料。"镁离子水电池有可能在短期内（比如一到三年）取代铅酸电池，并有可能在长期（5 到 10 年后）取代锂离子电池。镁比锌和镍等替代金属更轻，具有更大的潜在能量密度，将使电池充电时间更快，更有能力支持耗电设备和应用。"潜在应用Ma 说，团队的电池非常适合大规模应用，是电网存储和可再生能源集成的理想选择，尤其是在安全方面。随着技术的进步，其他类型的较小规模储能应用，如为人们的家庭和娱乐设备供电，可能会成为现实。作为澳大利亚研究理事会联系项目的一部分，Ma 的团队与行业合作伙伴、位于悉尼的技术创新企业 GrapheneX 合作，不间断开发水电池。"我们还与澳大利亚、美国、英国、日本、新加坡、中国和其他国家的知名大学和研究机构的研究人员和专家密切合作。这些合作促进了知识交流和尖端设施的使用。通过利用这个全球团队在不同领域的专业知识，我们可以从不同角度应对所涉及的复杂挑战"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：