绿氢技术大突破！MIT新系统效率破纪录 成本料更低

绿氢技术大突破！MIT新系统效率破纪录成本料更低如今，氢气主要是利用天然气和其他化石燃料作为能源而进行生产的，这使得从生产开始到最终使用，这种原本绿色的燃料更像是一种“灰色”能源。相比之下，STCH提供了一种完全零排放的替代方案，因为它完全依赖可再生太阳能来驱动氢的生产。然而，到目前为止，现有的STCH设计效率有限：只有大约7%的射入阳光被用来制造氢气。迄今为止的结果是低产量和高成本。麻省理工学院的研究小组估计，他们的新设计可以利用高达40%的太阳热量来产生更多的氢气，这是实现太阳能燃料的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使STCH成为一个潜在的可扩展的、负担得起的选择，以帮助运输行业脱碳。该研究的主要作者AhmedGhoniem教授表示，“我们认为氢是未来的燃料，有必要廉价、大规模地生产氢。我们正在努力实现能源部的目标，即到2030年以每公斤1美元的价格生产绿色氢。为了提高经济效益，我们必须提高效率，并确保我们收集的大部分太阳能用于生产氢气。”具体而言，与其他提出的设计类似，MIT的系统将与现有的太阳能热源相结合，比如聚光太阳能发电厂（CSP）——一个由数百面镜子组成的圆形阵列，收集阳光并将其反射到中央接收塔。然后STCH系统吸收接收器的热量并引导其分解水并产生氢气。值得注意的事，这个过程与电解非常不同，电解使用电而不是热来分解水。概念性STCH系统的核心是两步热化学反应。在第一步中，水以蒸汽的形式暴露在金属中。这使得金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属“氧化”类似于铁在水中的生锈，但发生的速度要快得多。一旦氢被分离，氧化（或生锈）的金属在真空中重新加热，这可以逆转生锈过程并使金属再生。除去氧气后，金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以产生更多的氢。这个过程可以重复数百次。每个反应堆将首先通过一个热站，在那里它将暴露在高达1500摄氏度的太阳热量下。这种极端的高温会有效地将氧气从反应堆的金属中抽出。然后，这种金属将处于“还原”状态——准备从蒸汽中吸收氧气。为了实现这一目标，反应堆将转移到一个温度在1000摄氏度左右的较冷的站，在那里它将暴露在蒸汽中产生氢气。研究人员对概念设计进行了详细的模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从之前设计的7%提高到40%。“我们必须考虑系统中的每一点能量，以及如何使用它，以最大限度地降低成本，”Ghoniem说，“通过这种设计，我们发现一切都可以通过来自太阳的热量来提供动力。它能够利用40%的太阳热量来产生氢气。”明年，该团队将建立一个系统的原型，他们计划在目前资助该项目的能源部实验室的集中太阳能发电设施中进行测试。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394287.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394287.htm

科学家开发出活性提高7.9倍的催化剂用于制氢

科学家开发出活性提高7.9倍的催化剂用于制氢要使氢能更容易被车辆使用，并被公认为一种可靠的替代能源，就必须降低氢气的生产成本，确保其经济可行性。这一目标的核心是优化电解-氢进化过程的效率，该过程从水中制取氢气。最近，由浦项科技大学（POSTECH）化学系的InSuLee教授、SoumenDutta研究教授和ByeongSuGu组成的研究小组通过开发铂纳米催化剂，显著提高了氢这种绿色能源的生产效率。用于氢气进化的三金属杂化纳米催化剂的机理图解。资料来源：POSTECH他们通过逐步沉积两种不同金属的方式完成了这一创举。他们的研究成果发表在《AngewandteChemie》上，这是一份备受推崇的专注于化学领域的期刊。在催化剂表面的特定位置选择性地沉积不同的材料（其尺寸在纳米范围内）带来了巨大的挑战。意外沉积可能会阻塞催化剂的活性位点或干扰彼此的功能。这种困境阻碍了在单一材料上同时沉积镍和钯。镍负责激活水的分裂，而钯则促进氢离子向氢分子的转化。三金属杂化催化剂的合成和氢演化示意图。资料来源：POSTECH研究小组开发了一种新型纳米反应器，可精细控制沉积在二维平面纳米晶体上的金属位置。此外，他们还设计了一种纳米级精细沉积工艺，使不同的材料能够覆盖二维铂纳米晶体的不同面。这种新方法开发出了一种"铂-镍-钯"三金属混合催化剂材料，通过连续沉积，钯和镍纳米薄膜分别选择性地覆盖了二维铂纳米晶体的平面和边缘。混合催化剂具有独特的镍/铂和钯/铂界面，分别用于促进水分离和氢分子生成过程。因此，这两个不同过程的协同作用大大提高了电解-氢演化的效率。研究结果表明，与传统的铂碳催化剂相比，三金属混合纳米催化剂的催化活性提高了7.9倍。此外，这种新型催化剂还具有显著的稳定性，即使在反应时间长达50小时后仍能保持较高的催化活性。这就解决了异质界面之间的功能干扰或碰撞问题。领导这项研究的InSuLee教授乐观地表示："我们成功地开发出了在混合材料上形成的和谐异质界面，克服了工艺上的挑战。我希望研究成果能广泛应用于氢反应催化材料的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390121.htm

破纪录的太阳能制氢装置：20.8%转化率高效将阳光转化为清洁能源

破纪录的太阳能制氢装置：20.8%转化率高效将阳光转化为清洁能源革命性的光反应器设计阿迪提亚-莫希特（AdityaMohite）的实验室专门从事化学和生物分子工程研究，是建造这种集成光反应器的领头人。该装置设计中的一个关键因素是防腐蚀屏障，它能有效地将半导体与水隔绝，同时又不妨碍电子转移。据发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上的研究报告称，该装置的太阳能-氢气转换效率高达20.8%，令人印象深刻。莱斯大学莫希特研究小组及其合作者开发的光反应器实现了20.8%的太阳能-氢气转换效率。资料来源：GustavoRaskosky/莱斯大学奥斯汀-费尔（AustinFehr）是一名化学与生物分子工程博士生，也是这项研究的主要作者之一，他强调了这项工作的重要性："利用阳光作为能源生产化学品是实现清洁能源经济的最大障碍之一。我们的目标是建立经济上可行的平台，生成太阳能衍生燃料。在这里，我们设计了一种能吸收光线并在其表面完成电化学分水化学反应的系统。"这种装置被称为光电化学电池，因为光的吸收、转化为电能以及利用电能为化学反应提供动力都发生在同一个装置中。迄今为止，利用光电化学技术生产绿色氢气一直受到效率低和半导体成本高的阻碍。样本视频中的四张系列静态图片，展示了莱斯大学的光反应器如何在模拟阳光的刺激下分裂水分子并产生氢气。资料来源：莫希特实验室/莱斯大学费尔解释了他们发明的与众不同之处："所有这种类型的设备都只利用阳光和水产生绿色氢气，但我们的设备很特别，因为它的效率破了纪录，而且使用的半导体非常便宜。"莫希特实验室及其合作者通过将他们极具竞争力的太阳能电池转化为反应器，利用收集到的能量将水分离成氧气和氢气，从而创造出了这一装置。他们必须克服的挑战是，卤化物过氧化物晶石在水中极不稳定，用于绝缘半导体的涂层最终不是破坏了它们的功能，就是损坏了它们。AyushAgrawal（左起）、FaizMandani和AustinFehr图片来源：GustavoRaskosky/莱斯大学"在过去的两年里，我们反反复复尝试了不同的材料和技术，"这项研究的合著者、莱斯大学化学工程师迈克尔-王（MichaelWong）说。在漫长的试验未能取得预期效果后，研究人员终于找到了一个成功的解决方案。Fehr说："我们的主要见解是，你需要两层屏障，一层用来阻挡水，一层用来在过氧化物层和保护层之间实现良好的电接触。我们的成果是无太阳能浓缩的光电化学电池中效率最高的，也使用卤化物包晶石半导体的光电化学电池中整体效率最高的。"对于一个历来由昂贵得令人望而却步的半导体所主导的领域来说，这是一个创举，它可能代表了有史以来第一次实现这类设备商业可行性的途径。研究人员介绍说，他们的阻挡层设计适用于不同的反应和不同的半导体，因此适用于许多系统。莫希特小组介绍说："我们希望这样的系统能成为一个平台，利用丰富的原料，只需阳光作为能量输入，就能驱动各种电子进行燃料形成反应。"Fehr补充说："随着稳定性和规模的进一步提高，这项技术可以开启氢经济，改变人类从化石燃料到太阳能燃料的制造方式。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372527.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372527.htm

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳催化专家理查德-布莱尔（RichardBlair，左）和纳米技术专家劳伦-泰塔德（LaureneTetard）（均来自佛罗里达大学）联手发现了令人兴奋的光催化新技术图/中佛罗里达大学中佛罗里达大学纳米科学技术中心和佛罗里达太空研究所的研究人员表示，他们已经研制出一种富含硼的光催化剂，这种催化剂具有纳米级缺陷或结构不规则，可以将甲烷等碳氢化合物链拆分成无害成分。输入仅仅是太阳光（如果可能的话，进行浓缩）和含有碳氢化合物的空气。输出是纯氢（可用于各种能源目的）和纯碳（另一种可销售的商品，具有导热性和导电性，还可用作润滑剂等）。重要的是，该工艺不会产生二氧化碳或一氧化碳。这与利用甲烷和水生产氢气或合成气的典型工业流程形成了鲜明对比，后者会排放大量的二氧化碳或一氧化碳。加州大学弗吉尼亚分校催化专家理查德-布莱尔在一份新闻稿中说："这项发明实际上是一举两得。我们可以获得绿色氢气，还可以去除，而不是真正封存甲烷。将甲烷加工成氢和纯碳后可用于电池等用途。我们的工艺将甲烷这种温室气体转化为非温室气体和两种有价值的产品--氢和碳--我们已经从循环中去除甲烷。"研究小组认为，他们的工作可以大大降低能源生成催化剂的成本，扩大他们工作的可见光频率范围，并提高太阳能光催化的效率。它不仅可以在不需要水的情况下实现比绿色更环保的氢气的工业生产，还可以为直接捕捉大气中的甲烷提供一种商业上可行的方法。甲烷是农业、垃圾填埋场、废水处理设施和一些主要工业流程中不可避免的副产品。天然气生产商在钻探甲烷时，甲烷就会大量泄漏出来，并通过管道和配件输送到家庭和工业，在那里甲烷通常会被燃烧，产生更多的二氧化碳。人类驱动的气候变化已经开始导致大气中甲烷的显著飙升，这要归功于热带湿地的扩大（甲烷从湿地中分解释放出来），以及极地永久冻土的融化（永久冻土会截留大量甲烷）。如果这种光催化剂在商业规模上证明是可行的，那么太阳能驱动的甲烷捕集技术就有可能部署在大型甲烷排放点周围，同时产生多种收入来源，这无疑是一个令人兴奋的想法。布莱尔说："在我们出现之前，这种氮化硼一直被认为是惰性的。也许是用于润滑剂，也许是化妆品。但它没有任何化学用途。然而，通过缺陷工程，研究团队发现这种化合物在生产碳和绿色氢气方面具有巨大潜力，而且可能会大量生产。"该团队正在寻找许可和赞助研究的机会，以推进该技术的发展。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378423.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378423.htm

剑桥大学创造的新型太阳能设备可将脏水变成氢燃料和饮用水

剑桥大学创造的新型太阳能设备可将脏水变成氢燃料和饮用水研究人员发明了一种太阳能装置，可将脏水转化为清洁的氢气和净水图/ChanonPornrungroj/剑桥大光催化水分裂技术可将太阳光直接转化为可储存的氢气，但通常需要纯净水和土地来安装设备，同时还会产生无法利用的废热。由于水是一种宝贵的资源，利用任何未经处理的水源（如河流、海洋、水库或工业废水）的光催化装置将是一种更可持续的选择。因此，剑桥大学的研究人员从光合作用过程中汲取灵感，创造了一种太阳能装置，能够同时利用污染水或海水生产清洁氢燃料和清洁饮用水。该研究的第一作者ChanonPornrungroj说："将太阳能燃料生产和水生产结合在一个装置中是非常棘手的。太阳能驱动的水分裂（水分子被分解成氢气和氧气）需要从完全纯净的水开始，因为任何污染物都可能毒害催化剂或引起不必要的化学副反应。"研究人员希望模仿植物的光合作用能力，但与以往利用洁净水源生产绿色氢燃料的设备不同，他们希望自己的设备能够使用受污染的水，从而使其在难以找到洁净水的地区也能使用。研究报告的合著者阿里芬-穆罕默德-安努阿尔（AriffinMohamadAnnuar）说："在偏远或发展中地区，洁净水相对稀缺，净水所需的基础设施也不容易获得，因此水分裂极为困难。一个可以利用受污染的水进行工作的装置可以同时解决两个问题：它可以分水制造清洁燃料，也可以制造清洁饮用水"。他们将一种吸收紫外线的光催化剂沉积在一种吸收红外线的纳米结构碳网上，这种碳网对光和热都有很好的吸收作用，从而产生光催化剂用来制造氢气的水蒸气。经过拒水处理的多孔碳网有助于光催化剂漂浮，并使其远离下面的水，从而避免污染物干扰其功能。此外，这种结构还能让装置利用更多的太阳能量。装置构造示意图Pornrungroj等人/剑桥大学安努阿尔说："制造太阳能燃料的光驱动过程只使用了太阳光谱的一小部分，还有大量光谱没有使用。"因此，研究人员在浮动装置的顶部使用了一层白色的紫外线吸收层，通过水分裂来制氢。太阳光谱中的其余光线被传输到装置底部，使水汽化。研究人员说，这更接近于模仿植物的蒸腾作用，即水在植物体内的流动过程，以及水从叶、茎和花等气生部分蒸发的过程。Pornrungroj说："这样，我们就能更好地利用光--我们获得了用于制氢的水蒸气，剩下的就是水蒸气了。我们就真正模仿了真实的叶子，因为我们现在已经能够将蒸腾作用的过程纳入其中。"研究人员利用真实世界的开放水源对他们的装置进行了测试，包括剑桥市中心坎河的水和造纸业的浑浊工业废水。在人工海水中，该装置在154小时后保持了80%的初始性能。研究人员说，由于光催化剂与水源中的污染物隔离，并保持相对干燥，因此该装置可以保持其运行稳定性。它对污染物的耐受性很强，而且浮动设计使基底可以在非常浑浊或泥泞的水中工作，因此这是一个用途广泛的系统。研究人员认为，他们的设备有可能解决可持续发展和循环经济问题。这项研究的通讯作者ErwinReisner说："我们的设备仍然只是一个原理验证，但如果我们要发展真正的循环经济和可持续的未来，我们就需要这些解决方案。气候危机与污染和健康问题密切相关，开发一种有助于同时解决这两个问题的方法将改变许多人的命运。"这项研究发表在《自然-水》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396809.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396809.htm