从梦想到现实：低成本、碳中性生物燃料终成现实

从梦想到现实：低成本、碳中性生物燃料终成现实 加州大学洛杉矶分校的 Charles Cai 和一个新安装的 20 加仑 CELF 反应器，该反应器将用于放大项目。图片来源：Stan Lim / UCR生物燃料要想与石油竞争，生物精炼操作的设计必须更好地利用木质素。木质素是植物细胞壁的主要成分之一。它为植物提供了更高的结构完整性和抵御微生物侵袭的能力。然而，木质素的这些天然特性也使其难以从植物物质（也称为生物质）中提取和利用。加州大学河滨分校副研究员 Charles Cai 说："木质素利用是以最经济、最环保的方式从生物质中提取所需物质的关键。设计一种能够更好地利用生物质中的木质素和糖的工艺，是这一领域最令人兴奋的技术挑战之一"。为了克服木质素障碍，Cai 发明了 CELF，即共溶剂增强木质纤维素分馏技术。这是一种创新的生物质预处理技术。"在生物质预处理过程中，CELF 使用四氢呋喃或 THF 来补充水和稀酸。它提高了整体效率，并增加了木质素提取能力，"Cai 说。"最重要的是，四氢呋喃本身可以用生物质糖类制成。"CELF 在经济和环境方面的优势一篇具有里程碑意义的《能源与环境科学》论文详细介绍了 CELF 生物精炼厂与石油燃料和早期生物燃料生产方法相比，在多大程度上具有经济和环境效益。这篇论文由加州大学洛杉矶分校蔡的研究团队、橡树岭国家实验室管理的生物能源创新中心（Center for Bioenergy Innovation）和美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）合作完成，由美国能源部科学办公室提供资金支持。其中，研究人员考虑了两个主要变量：哪种生物质最理想，以及提取木质素后如何处理。加州大学河滨分校副研究员查Charles Cai发明了生物质预处理技术 CELF，该技术可使下一代生物燃料与石油燃料竞争。图片来源：Stan Lim / UCR第一代生物燃料生产使用玉米、大豆和甘蔗等粮食作物作为原材料或原料。由于这些原料占用了粮食生产所需的土地和水资源，用它们来生产生物燃料并不理想。第二代操作使用非食用植物生物质作为原料。生物质原料的例子包括制粉过程中产生的木材残渣、甘蔗渣或玉米秸秆，这些都是林业和农业生产过程中大量的低成本副产品。根据能源部的数据，仅在美国，每年就有多达 10 亿吨的生物质可用于制造生物燃料和生物产品，能够替代 30% 的石油消耗，同时还能创造新的国内就业机会。研究人员发现，与碳密度较低的玉米秸秆相比，CELF 生物精炼厂能更充分地利用植物物质，从而产生更大的经济和环境效益。研究人员通过在 CELF 生物精炼厂中使用杨木，证明了可持续航空燃料的生产成本可低至每加仑汽油当量 3.15 美元。而目前美国每加仑航空燃料的平均价格为 5.96 美元。美国政府以可再生识别码信用额度的形式发放生物燃料生产信用额度，这是一种旨在促进国内生物燃料生产的补贴。为第二代生物燃料发放的 D3 级信用额度通常以每加仑 1 美元或更高的价格进行交易。该文件表明，按照这个价格，人们可以预期从这项业务中获得 20% 以上的回报率。Cai说："与玉米秸秆这样的廉价原料相比，多花一点钱购买杨树这样碳含量更高的原料仍然能产生更多的经济效益，因为你可以用它制造更多的燃料和化学品。"该论文还说明了木质素的利用如何在保持尽可能低的碳足迹的同时，对整个生物精炼厂的经济效益做出积极贡献。在旧的生物精炼模式中，生物质是在水和酸中煮熟的，木质素除了其热值外大多无法利用。老式的生物炼油厂会选择燃烧木质素来补充热量和能源，因为它们大多只能利用生物质中的糖分这是一个成本高昂的提议，会使很多价值落空。除了更好地利用木质素，CELF 生物炼制模型还建议生产可再生化学品。这些化学品可用作生物塑料和食品饮料调味化合物的基本成分。这些化学品吸收了植物生物质中的部分碳，而这些碳不会以二氧化碳的形式释放回大气中。"添加四氢呋喃有助于降低预处理的能源成本，并有助于分离木质素，这样就不必再焚烧木质素了。除此之外，我们还可以制造可再生化学品，帮助我们实现近乎零的全球变暖潜能值，"Cai 说。"我认为这将从第二代生物燃料迈向第二+代生物燃料。"鉴于该团队最近取得的成功，能源部生物能源技术办公室向研究人员提供了 200 万美元的资助，用于在加州大学洛杉矶分校建立一个小规模的 CELF 试验工厂。蔡希望通过试验工厂的示范，促成对该技术的更大规模投资，因为利用化石燃料产生的能源会加剧全球变暖并对地球造成伤害。"十多年前，我开始从事这项工作，因为我想产生影响。我想找到化石燃料的可行替代品，我和我的同事们已经做到了，"Cai 说。"利用 CELF，我们已经证明有可能从生物质和木质素中制造出具有成本效益的燃料，并帮助遏制我们向大气中的碳排放。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

追逐阴影：NASA以喷气燃料探索太阳的秘密

追逐阴影：NASA以喷气燃料探索太阳的秘密 美国国家航空航天局的 WB-57 喷气机将捕捉 2024 年日食的空前景象，研究日冕和电离层，以加深对太阳和大气动力学的了解。2024 年 4 月 8 日的日全食将为北美各地带来令人惊叹的美景。虽然日食路径沿线晴空万里的任何人都能看到这一壮观景象，但最佳视角可能是在 5 万英尺的高空，在美国宇航局的 WB-57 喷气式飞机上。美国国家航空航天局（NASA）资助的三个团队将在那里派出科学仪器对日食进行测量。美国国家航空航天局（NASA）资助的三支团队将在那里派出科学仪器对日食进行测量。资料来源：美国国家航空航天局两个小组将对太阳的外层大气日冕进行成像，第三个小组将对电离层地球大气层的上层带电层进行测量。这些信息将帮助科学家更好地了解日冕的结构和温度、太阳对地球大气层的影响，甚至有助于寻找可能在太阳附近运行的小行星。日全食期间，月球完美地遮住了太阳的亮光，使地球上的一小块区域陷入黑暗。太阳的主光被遮住后，肉眼就能看到暗淡得多的日冕。这为科学家研究太阳的这一神秘区域提供了独特的机会。短暂的阳光遮挡还能让科学家研究太阳光如何影响地球大气层。过去，日食推动了无数科学发现。对于这次日食，美国国家航空航天局正在资助几项科学实验包括使用 WB-57 飞机进行的三项实验在日食期间进行测量。美国国家航空航天局的 WB-57 飞机比商用飞机飞得高得多。这一高度使喷气式飞机能够飞越云层，这意味着不会因恶劣天气而错过日食。此外，喷气式飞机的飞行高度使其处于地球大部分大气层之上，这使得相机能够拍摄出更清晰的图像，并捕捉到无法到达地面的红外光等波长。由于飞机能以每小时 460 英里的速度飞行，它们还能延长在月影中停留的时间。虽然月食在地面上任何一点的持续时间都不会超过四分半钟，但飞机看到的月食持续时间将延长约 25%，超过 6 分 22 秒。该地图显示了 2024 年日全食的路径。横跨大陆的深色路径就是全食路径。通过沿着这条路径飞行，WB-57 将延长在全食中停留的时间。资料来源：NASA/科学可视化工作室/Michala Garrison；日食计算：NASA 戈达德太空飞行中心 Ernie Wright夏威夷大学研究员 Shadia Habbal 是 WB-57 日食实验的负责人之一。他的实验将搭载记录特定波长光线的光谱仪和照相机。这些仪器将测量日冕和日冕物质抛射的温度和化学成分，日冕物质抛射是太阳物质的大爆发。利用这些数据，科学家们旨在更好地了解日冕的结构，并确定太阳风（太阳不断发射的粒子流）的来源。Habbal希望他们的研究结果有助于区分不同的日冕受热模式，他说："这盏灯是我们在日冕中插入温度计之外最好的探测器。"美国宇航局/欧空局的太阳和日光层天文台（SOHO）拍摄到了 2023 年 3 月 13 日日冕物质抛射的视频。资料来源：NASA/ESA/SOHO对于科罗拉多州博尔德西南研究所阿米尔-卡斯皮领导的另一个团队来说，这并不是他们第一次用飞机追逐日食。在2017年日全食期间，Caspi曾带领WB-57飞机进行了一次开创性的实验，日全食从海到海横穿了美国。喷气机拍摄的图像被用来研究日冕的结构。那是第一次利用喷流研究日食。这一次，改进后的相机设置将允许测量从红外线到可见光的更多波长，有望揭示有关中冕和下冕结构的新信息。使用高分辨率高速相机进行的观测还有助于研究环绕太阳的尘埃环，并帮助搜寻可能在太阳附近运行的小行星。卡斯皮说："在我们将要研究的一些波长上，太阳的数据并不多。我们不知道会发现什么，所以进行这些测量特别令人兴奋"。第三个实验将使用一种称为电离层探测仪的仪器研究月球阴影对电离层的影响，该仪器由 JHU APL 设计。电离层探测仪的功能类似于一个简单的雷达。该装置发出高频无线电信号，并聆听其在电离层上的回声，从而使研究人员能够测量电离层的带电程度。电离层项目负责人、弗吉尼亚州布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学研究助理教授巴拉特-昆杜里（Bharat Kunduri）说："日食基本上是一个受控实验。它让我们有机会了解太阳辐射的变化会如何影响电离层，而电离层的变化又会反过来影响雷达和全球定位系统等我们日常生活中依赖的一些技术。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家开发出具有8000次充电循环的低成本新型电池

科学家开发出具有8000次充电循环的低成本新型电池 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 新型锌-木质素电池非常稳定，可以使用 8000 次以上，同时保持约 80% 的性能。研究人员开发的电池虽小，但技术是可扩展的。资料来源：Thor Balkhed"太阳能电池板已经变得相对便宜，低收入国家的许多人都采用了太阳能电池板。然而，在赤道附近，太阳会在下午 6 点左右落下，导致家庭和企业停电。"林雪平大学有机电子学教授 Reverant Crispin 说："我们希望这种电池技术，即使性能低于昂贵的锂离子电池，最终也能为这些情况提供解决方案。"他所在的有机电子实验室研究小组与卡尔斯塔德大学和查尔姆斯大学的研究人员合作，开发出了一种基于锌和木质素的电池，这两种材料既经济又环保。就能量密度而言，这种电池与铅酸电池相当，但没有有毒的铅。研究人员 Reverant Crispin 和 Ziyauddin Khan 在有机电子实验室。图片来源：Thor Balkhed这种电池非常稳定，可使用 8000 次以上，同时保持约 80% 的性能。此外，该电池的电量可保持约一周时间，比其他只需几个小时就能放电的同类锌电池要长得多。虽然锌基电池已经进入市场，但主要是作为不可充电电池，预计在适当引入可充电功能后，锌基电池将成为锂离子电池的补充，并在某些情况下长期取代锂离子电池。"虽然锂离子电池在处理得当的情况下非常有用，但它们可能具有爆炸性，难以回收利用，而且在提取钴等特定元素时会产生环境和人权问题。因此，在能量密度并不重要的情况下，我们的可持续电池提供了一种很有前景的替代品。"锌电池的主要问题是耐用性差，因为锌会与电池电解质溶液中的水发生反应。这种反应会产生氢气和锌的树枝状生长，使电池基本上无法使用。为了稳定锌，使用了一种名为聚丙烯酸酯钾基聚合物水包盐电解质（WiPSE）的物质。林雪平的研究人员现在已经证明，在含有锌和木质素的电池中使用 WiPSE 时，稳定性非常高。"锌和木质素都非常便宜，而且这种电池很容易回收。如果计算每个使用周期的成本，与锂离子电池相比，它是一种非常便宜的电池，"Ziyauddin Khan 说。目前，实验室开发的电池体积较小。不过，研究人员相信，由于木质素和锌的丰富，他们可以低成本制造出大型电池，大小与汽车电瓶差不多，不过，大规模生产还是需要商业公司的参与。Reverant Crispin 断言，瑞典作为一个创新型国家，能够帮助其他国家采用更具可持续性的替代方案。"我们有责任帮助低收入国家避免重蹈我们的覆辙。他们在建设基础设施时，需要立即从绿色技术入手。如果引入不可持续的技术，那么数十亿人将会使用这种技术，从而导致气候灾难，"Reverant Crispin 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

Altris发明基于木质材料的钠电池 将可持续发展推向新高度

Altris发明基于木质材料的钠电池 将可持续发展推向新高度 木质素是木浆制造过程中产生的一种副产品，长期以来，人们一直在研究将其用作更具可持续性的电极材料的可能性。2022 年，芬兰可再生材料公司斯道拉恩索（Stora Enso）与瑞典电池制造商 Northvolt 合作，将其专有的 Lignode 材料用于锂离子电池阳极，成为当时的头条新闻。斯道拉恩索公司将Lignode描述为一种从木质素中提炼出来的硬碳材料。通过与 Altris 合作，斯道拉恩索希望在进一步实现欧洲电池供应链本地化的同时，实现更高的可持续发展。正如我们几周前在 Natron Energy 公司投产时所看到的那样，钠离子电池不需要锂、钴和镍等稀有矿物质，而是依靠丰富的钠，这种钠可以就地取材，无需进行有害的开采。木质素原料被提炼成硬碳粉，用于制造电池阳极的电极片Altris 和斯道拉恩索将阳极制造中通常使用的石墨换成了源自天然副产品的 Lignode，从而进一步减少了对中国进口（欧盟 90% 以上的石墨来自中国）的依赖，确保了欧盟本地供应链的安全。斯道拉恩索公司还表示，Lignode阳极有望实现更快的充电和放电速度。斯道拉恩索公司自称是世界上最大的私有森林之一，拥有和租赁的土地面积超过 500 万英亩（200 万公顷）。该公司在芬兰科特卡（Kotka）的工厂加工木浆已有 80 多年历史，自 2015 年起开始工业化提取木质素。该公司于 2021 年开始试生产 Lignode，目前正在努力扩大商业规模。该公司指出，一棵树有 20% 至 30% 由木质素组成，因此木质素的供应量非常大，而且很容易通过可持续森林管理实践加以替代，该公司甚至表示，包含木质素的 Altris 钠离子电池有可能成为世界上最具可持续性的电池。斯道拉恩索公司高级副总裁尤索-孔蒂宁（Juuso Konttinen）在本周的联合声明中表示："生物基材料是提高电池电池可持续性的关键。Lignode 有潜力成为世界上最具可持续性的负极材料，与 Altris 的合作完全符合我们的共同承诺，即支持更具可持续性的电气化目标。"斯道拉恩索公司表示，它是世界上最大的私人森林所有者之一，为木质素的采购提供了大量的原材料供应在电池的另一侧，Altris 使用普鲁士白制造阴极，这种材料由丰富、廉价、无冲突的材料制成，如铁、氮、钠和碳。与 Natron 的普鲁士蓝一样，它也不含锂、钴等稀有、有问题的矿物质。"世界上最可持续发展"的钠电池采用木浆阳极，听起来是不是好得不像真的？现在看来的确如此。合作声明上的墨迹还未干，Altris 还没有开始商业化生产，它仍然称自己为钠离子电池开发商和原型制造商。去年，Altris 展示了一种商业规模的电池，其能量密度为 160 瓦时/千克，与当今电动汽车使用的磷酸铁锂（LFP）电池相当。该电池是与 Northvolt 合作开发的。Altris 首席执行官比约恩-莫里德（Björn Mårlid）当时表示，公司未来的目标是达到 200 瓦时/千克。 ... PC版： 手机版：

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分 然而，要在这些铁氮碳催化剂的耐久性和效率之间取得平衡却并非易事，因此这一过程充满了挑战。虽然他们已经成功地使催化剂具有持久性或高性能，但同时实现这两个属性仍然是一个巨大的障碍。布法罗大学领导的一项新研究可能会提供一种解决方案。在《自然-催化》杂志上，研究人员报告了如何在制造过程中加入氢气，从而制造出接近铂金性能的强效催化剂。前排中间的吴刚正在努力降低与生产气候友好型燃料电池相关的成本。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。这一进展表明，燃料电池技术在帮助汽车、卡车、火车、飞机和其他重型车辆实现无污染供电的潜力方面迈出了重要一步。"多年来，科学界一直在努力平衡这种权衡。我们可以制造出低成本的有效物质，但它们太容易降解。或者，我们可以制造出非常稳定的物质，但其性能却无法与铂相提并论。"这项研究的通讯作者、工程与应用科学学院化学与生物工程系教授吴刚博士说："通过这项工作，我们朝着解决这个问题迈出了一步。这项工作建立在吴领导的先前研究基础之上，该研究描述了铁-氮-碳催化剂，虽然这种催化剂经久耐用，但却难以加快燃料电池中的重要化学反应。新研究在一种名为热解的制造工艺中解决了这一局限性，该工艺涉及使用极高的温度来组合材料。在高温分解过程中，研究人员在高温舱中将四个氮原子与铁结合在一起。然后，他们将这种材料嵌入几层石墨烯中，石墨烯是一种坚韧、轻盈、柔韧的碳。通常，这一过程是在一个装有氩气等惰性气体的腔体内进行的。但这次，研究人员将氢气送入舱内，形成了 90% 的氩气和 10% 的氢气混合物。因此，研究人员能够更精确地控制催化剂的构成。具体来说，他们能够将两种不同的铁-氮-碳化合物（一种含有 10 个碳原子，另一种含有 12 个碳原子）置于有助于提高耐久性和效率的位置。由此产生的催化剂达到了燃料电池的初始性能，远远超过了能源部 2025 年的目标。事实证明，它比大多数铁氮碳催化剂更耐用，接近燃料电池使用的典型低铂阴极。编译来源：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：