创新系统可扬长避短 将海水转化为氢燃料

创新系统可扬长避短将海水转化为氢燃料他们的创新设计被证明成功地产生了氢气，而同时没有产生大量的有害副产品。他们的研究结果最近发表在《焦耳》杂志上，可以帮助推进生产低碳燃料的努力。"今天许多水变氢系统试图使用单层或单层膜。我们的研究将两层膜结合在一起，"SLAC-斯坦福联合研究所SUNCAT界面科学和催化中心的副研究员AdamNielander说。"这些膜结构使我们能够在实验中控制海水中离子的移动方式。"氢气是一种低碳燃料，目前被用于许多方面，例如运行燃料电池电动汽车，以及作为一种长期的能源储存选择--一种适合储存几周、几个月或更长的能源，可用于电网。许多制造氢气的尝试从淡化水开始，但这些方法可能是昂贵的，而且是能源密集型的。处理过的水更容易操作，因为它有更少的化学元素漂浮在周围。然而，研究人员说，净化水过程是昂贵的，需要大量能源并增加了设备的复杂性。另一种选择，即天然淡水也包含一些对现代技术来说有问题的杂质，此外，它还是地球上一种比较有限的资源。为了使用海水，该团队实施了一个双极或两层的膜系统，并使用电解进行测试，这是一种利用电力驱动离子或带电元素来运行所需反应的方法。SLAC和斯坦福大学的博士后研究员JosephPerryman说，他们的设计从控制对海水系统最有害的元素--氯化物开始。Perryman说："海水中有许多活性物种可以干扰水到氢气的反应，而使海水变咸的氯化钠是主要的罪魁祸首之一。特别是，到达阳极并氧化的氯化物将减少电解系统的寿命，并且由于氧化产物的毒性，包括分子氯和漂白剂，实际上可能变得不安全。"实验中的双极膜允许进入制造氢气所需的条件，并减轻氯气进入反应中心的影响。理想的膜系统将执行三个主要功能：从海水中分离氢气和氧气；只帮助移动有用的氢气和氢氧根离子，同时限制其他海水离子；以及帮助防止不希望发生的反应。把这三者结合起来是很难的，该团队的研究目标是探索能够有效结合这三种需求的系统。具体到他们的实验中，质子，也就是正氢离子，通过其中一个膜层到达一个地方，在那里它们可以被收集，并通过与一个带负电的电极相互作用变成氢气。系统中的第二层膜只允许负离子，如氯化物，通过。斯坦福大学化学工程系研究生和共同作者DanielaMarin说，作为额外的后盾，一个膜层包含固定在膜上的带负电的基团，这使得其他带负电的离子，如氯化物，更难移动到它们不应该去的地方。事实证明，在该团队的实验中，带负电荷的膜能高效地阻挡几乎所有的氯离子，而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯气等有毒副产品。研究人员说，除了设计一个海水到氢气的膜系统外，这项研究还提供了一个关于海水离子如何通过膜移动的更好的一般理解。这些知识可以帮助科学家为其他应用设计更强大的膜，例如生产氧气。"对于使用电解法生产氧气也有一些兴趣，"Marin说。"了解我们的双极膜系统中的离子流和转换对于这项工作也是至关重要的。在我们的实验中生产氢气的同时，我们还展示了如何使用双极膜来产生氧气。"接下来，该团队计划通过使用更丰富和更容易开采的材料来改进他们的电极和膜。该团队说，这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动（如交通部门）产生氢气所需的规模。研究人员还希望将他们的电解池带到SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL），在那里他们可以利用该设施的强烈X射线研究催化剂和膜的原子结构。"绿色氢气技术的前景是光明的，"SLAC和斯坦福大学教授兼SUNCAT主任ThomasJaramillo说。"我们正在获得的基本见解是为未来创新提供信息的关键，以提高该技术的性能、耐久性和可扩展性。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362511.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362511.htm

革命性的可再生能源生产方式：利用阳光从空气中生产氢气燃料

革命性的可再生能源生产方式：利用阳光从空气中生产氢气燃料当该装置简单地暴露在阳光下时，它从空气中获取水分并产生氢气。该成果于2023年1月4日发表在《先进材料》上。该技术的革新之处在于新型气体扩散电极是透明的、多孔的和导电的，使这种以太阳能为动力的技术能够将水-来自空气中的气体状态变成氢燃料。"为了实现一个可持续发展的社会，我们需要有办法将可再生能源储存为可以作为燃料和工业原料的化学品。太阳能是最丰富的可再生能源形式，我们正在努力开发具有经济竞争力的方法来生产太阳能燃料，"EPFL光电纳米材料分子工程实验室的西武拉说，他是这项研究的主要研究者。凯文-西武拉在他的实验室。资料来源：AlainHerzog/EPFL来自植物叶片的灵感在研究人员对可再生无化石燃料的研究中，EPFL的工程师与丰田汽车欧洲公司合作，从植物能够利用空气中的二氧化碳将太阳光转化为化学能的方式中获得灵感。植物从其环境中收获二氧化碳和水，并在阳光的额外能量的推动下，将这些分子转化为糖和淀粉，这一过程被称为光合作用。阳光的能量以化学键的形式储存在糖和淀粉的内部。由Sivula和他的团队开发的透明气体扩散电极，当涂上光收集半导体材料时，非常像一片人造叶子，从空气和阳光中收集水以产生氢气。阳光的能量以氢键的形式被储存起来。但这种装置的基底不是用传统的对阳光不透明的层来构建电极，而是实际上是一个由毛毡玻璃纤维组成的3维网。这项工作的主要作者MarinaCaretti说："开发我们的原型设备是具有挑战性的，因为透明的气体扩散电极以前没有被证明过，我们必须为每个步骤开发新的程序。然而，由于每个步骤都相对简单且可扩展，我认为我们的方法将为广泛的应用打开新的视野，从用于太阳能驱动的氢气生产的气体扩散基板开始。"从液态水到空气中的湿度Sivula和其他研究小组先前已经表明，通过使用一种被称为光电化学（PEC）电池的装置从液态水和阳光中产生氢燃料，有可能进行人工光合作用。一般来说，PEC电池是一种利用入射光刺激浸在液体溶液中的光敏材料（如半导体）来引起化学反应的装置。但就实际用途而言，这一过程有其缺点，例如，制造使用液体的大面积PEC装置很复杂。Sivula想表明，PEC技术可以改用于收集空气中的湿度，从而导致他们开发了新的气体扩散电极。电化学电池（例如燃料电池）已经被证明可以用气体而不是液体来工作，但是之前使用的气体扩散电极是不透明的，与太阳能供电的PEC技术不兼容。现在，研究人员正将他们的努力集中在优化该系统上。理想的纤维尺寸是多少？理想的孔径大小？理想的半导体和膜材料是什么？这些都是欧盟项目"Sun-to-X"正在研究的问题，该项目致力于推进这项技术，并开发将氢气转化为液体燃料的新方法。制作透明的气体扩散电极为了制造透明的气体扩散电极，研究人员从一种玻璃棉开始，它是一种石英（也称为氧化硅）纤维，并通过在高温下将纤维熔合在一起，将其加工成毡片。接下来，晶片被涂上一层透明的掺氟氧化锡薄膜，这种薄膜以其出色的导电性、坚固性和易于扩展而闻名。这些最初的步骤产生了一个透明、多孔和导电的晶圆，这对于最大限度地接触空气中的水分子和让光子通过至关重要。然后，晶圆再次被涂层，这次是一层吸收阳光的半导体材料的薄膜。这第二层薄涂层仍然让光通过，但由于多孔基质的大表面积而显得不透明。就像现在这样，一旦暴露在阳光下，这种涂层的晶圆已经可以生产氢燃料。科学家们继续建造了一个包含涂层晶片的小室，以及一个用于分离产生的氢气以进行测量的薄膜。当他们的小室在潮湿的条件下暴露在阳光下时就会产生氢气，实现了科学家们设定的目标，显示出用于太阳能驱动的氢气生产的透明气体扩散电极的概念是可以实现的。虽然科学家们在他们的演示中没有正式研究太阳能到氢气的转换效率，但他们承认，对于这个原型来说效率相对不高，目前还不如在基于液体的PEC电池中实现得更好。基于所使用的材料，涂层硅片的最大理论太阳能-氢气转换效率为12%，而液体电池的效率已被证明高达19%。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339415.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339415.htm

酸性涂层将普通电解器转化为可以直接分离海水

酸性涂层将普通电解器转化为可以直接分离海水该团队说，一个典型的电解器催化剂可能是由氧化钴制成的，其表面有氧化铬。海水通常会通过氯离子的严重侵蚀破坏这些催化剂，或者不溶性的镁和钙的沉淀物将其污染，这些沉淀物会堆积并堵塞电极。但是，在催化剂上添加刘易斯酸层，似乎能够从海水中捕获足够的带负电荷的羟基阴离子，在催化剂周围产生一个pH值为14的强碱性环境，阻止氯离子对催化剂的攻击和电极上沉淀物的形成。研究人员表示，他们以近100%的效率将天然海水分成氧气和氢气，通过电解生产绿色氢气，在商业电解器中使用非贵重的廉价催化剂。使用催化剂在海水中运行的商业电解器的性能接近于在高度净化的去离子水原料中运行的铂/铱催化剂的性能。展望未来几十年，有两件事似乎很清楚：对绿色氢气的需求将非常大，而预计到2025年将影响世界三分之二人口的淡水缺乏问题将变得更加严重。但是，如果绿色氢气可以用海水大量制造，那么在任何地方使用，无论是在燃料电池中还是在燃烧过程中，它最终都会与氧气结合，并作为淡水释放回环境中，这同时也是一个具有清洁能源奖励的脱盐过程。该团队表示，它正在努力将这套电解器系统扩大到商业规模，并寻找工业伙伴将其投入生产。该论文发表在《自然-能源》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1342313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1342313.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

非凡的新催化剂片能廉价地从海水中分离出氢气

非凡的新催化剂片能廉价地从海水中分离出氢气澳大利亚巨大的可再生能源潜力和以出口为重点的经济使其有能力在国际上进行大批量竞争。但是，作为一个以沙漠为主要地貌的大陆，它也非常清楚水资源的短缺和将其土地的生命线运往海外的危险性。生产每公斤（2.2磅）氢气需要9升（2.4加仑）淡水，这是个坏兆头。用海水制造绿色氢气比用淡水更难，首先需要考虑腐蚀问题，然后是需要应对大量杂质和微生物，再者需要靠近可再生能源的沿海地区--对于像澳大利亚这样大且相对空旷的国家来说，这不是一个问题，但在其他地方绝对是一个因素。在某种程度上还需要考虑在完成盛产后将什么放回海洋中，是否创造了危险的盐度水平或将高浓度的有毒氯气排放回海洋环境中。但好处是相当巨大的：当使用海水时，不仅供水是几乎免费的，而且如果这些氢气在当地被燃烧或通过燃料电池运行，排放出的淡水过滤后还可以浇灌干旱的土地。因此，目前有很多团队正在研究从海水中产生绿色氢气的电解技术。早在12月，我们看了一个高效的中国设备，它利用蒸汽压差自发地从海水中蒸发出纯水，然后进行电解。几周前，另一个国际团队发现了一种标准电解器的表面处理方法，使其在海水中也能正常运行。而早在2021年，我们关注了沙特阿拉伯的一种非常令人兴奋的方法，它不仅可以捕获氢气，还可以捕获可销售的氯气和电池级磷酸锂，这将解决另一个全球问题，并且在这个过程中看起来是非常好的生意。上图：催化剂有望廉价且易于规模化生产。底部：电极上的氢进化反应（HER）和氧进化反应（OER）RMIT今天，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家们宣布了另一种具有巨大潜力的方法，即直接从海水中产生高效、低成本的绿色氢气，而不产生氯气。"使用海水的最大障碍是氯，它可以作为副产品产生。"刚刚发表在同行评议的Wiley杂志《Small》上的一篇论文的首席研究员NasirMahmood博士说。"如果我们不首先解决这个问题就满足世界上的氢气需求（使用海水），我们每年会产生2.4亿吨氯气--这是世界上氯气需求量的三到四倍。用氢气生产替代化石燃料制造的氢气是没有意义的，它可能会以不同的方式破坏我们的环境。我们的工艺不仅省略了二氧化碳，而且也没有氯的产生"。皇家墨尔本理工大学的设备使用了一种由氮掺杂的磷化镍（NiMo3P）片制成的新型催化剂。在每个片状层中都有大量孔隙，旨在加速催化活性和质量转移。透射电子显微镜显示氮掺杂的磷化钼镍的纳米级片材中的孔隙研究小组说，氮的掺入发挥了一些功能，包括增加导电性，优化电子密度和表面化学，以及在薄片中为水催化创造新的活性点。当氮与表面金属结合时产生的电负性有助于阻止不需要的离子和分子接触催化剂的表面，而表面上存在的磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐和羟基离子则有助于阻挡胆碱并防止腐蚀。实验中，该团队发现这种催化剂表现出了出色的效率，并完全抑制了氯气的产生。"在碱性电解质和海水中，N-NiMo3P片表现出特殊的HER[氢进化反应]过电位值，在10mAcm-2时分别为23和35mV，"研究报告写道。此外，对于完全的水分离，在碱性电解质和海水中分别只需要1.52和1.55伏就可以达到10毫安厘米-2。这些特殊的结果表明，通过调节二维材料的结构和组成，可以从海水中产生低成本的氢气。""这些新的催化剂运行所需的能量非常少，可以在室温下使用，"Mahmood在一份新闻稿中介绍说，它们也应该是相对便宜的，并且容易在绿色氢气市场预计需要的巨大规模下生产。从左到右。MuhammadWaqasKhan博士、NasirMahmood博士和SurajLoomba先生，他们是皇家墨尔本理工大学从事这项研究的团队的成员。Muhammad说："为了真正实现可持续发展，我们使用的氢气在整个生产周期中必须是100%无碳的，而且不能削减世界上宝贵的淡水储备。我们直接从海水中生产氢气的方法是简单的、可扩展的，并且比目前市场上的任何绿色氢气方法更具成本效益。随着进一步的发展，我们希望这能推动在澳大利亚建立一个繁荣的绿色氢气产业"。随着研究的继续，该团队将转而扩大规模。下一步是建立一个运行这些催化剂片堆的原型电解器系统，以生产大量的氢气，并开始优化系统规模的效率。Mahmood认为，这项技术可以帮助实现澳大利亚政府的目标，即以2澳元/公斤（1.40美元/公斤）的价格生产绿色氢气，在这个水平上，它与使用化石燃料生产的肮脏氢气相比，具有成本竞争力。对于公司大量投资于大规模绿色氢气生产，他们需要知道他们可以做到有利可图，并与其他氢气和燃料来源竞争。让我们拭目以待，当然希望这些海水分离的创新在资产负债表上的效果和在实验室里的效果一样好。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344291.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344291.htm

南京理工大学研发的聪明装置可有效地从海水中分离出氢气和锂

南京理工大学研发的聪明装置可有效地从海水中分离出氢气和锂目前人们可以淡化海水，然后将其分离，但这不是一个很好的解决方案；大部分输入能量在淡化过程中损失了，这使所制造的氢气的价格上升。也有很多直接的海水电解机，但大多数死得太快，在商业意义上是没有用的；复杂的海洋酿造物中的氯化物离子在阳极变成高腐蚀性的氯气，它侵蚀了电极并使催化剂退化，直到机器停止工作。中国南京理工大学的研究人员认为他们已经找到了解决这个问题的方法。在上个月发表在《自然》杂志上的一项研究中，团队展示了一台直接海水电解机，它运行了3200多个小时（133天）而没有发生故障。它是高效的，可扩展的，操作起来很像淡水分流器，"而操作成本没有明显的增加"。该团队的电解器使用廉价、防水、透气、防生物污染的聚四氟乙烯膜，使海水与浓缩的氢氧化钾电解液和电极完全分离。这些膜阻止液态水通过，但它们可以让水蒸气通过。海水侧和电解质侧之间的水蒸气压力差异"为海水侧的自发海水气化（蒸发）提供了驱动力"。当水从电解质中分裂成氢气和氧气时，它在电解质和海水之间产生了蒸汽压差，导致海水自发蒸发并通过防水膜因此，得到的是纯水从海水中迅速蒸发出来，没有任何额外的能量输入，然后穿过聚四氟乙烯膜，作为液体被吸收到电解质中，它让水通过，并100%地阻止可能在电极或膜上造成损害的其他离子。该团队在深圳湾的海水中测试了一个紧凑的11个单元的电解箱，大约有几个中等大小的手提箱那么大。在133天的测试中，它每小时产生约386升氢气，这听起来很多，但如果是在标准大气压下，386升仅代表31.652克的氢气价值。在燃料电池电动车的应用背景下，假设一辆汽车用1公斤的氢气行驶约100公里（62英里），这个11个电池的装置每小时产生的氢气足以驱动一辆汽车行驶约3.2公里（2英里）。不过，这只是一个小型测试装置。就效率而言，该电解器每生产一正常立方米的氢气就会消耗大约5千瓦时。由于氢气每Nm3携带约3.544千瓦时的能量，这个海水电解器以大约71%的效率运行。这当然是目前很多电解槽技术的范围，尽管它没有跟上一些新兴的超高效设计，如Hysata的95%效率的毛细管进料设计。左图：11个电池的测试装置运行了四个多月。右图：每个电池的结构该设备在海水中运行四个多月后仍在全容量运行，测试后的分析显示，电解液中的"杂质离子没有明显增加"，"表明PTFE膜的离子阻断效率为100%"，催化剂层上也没有看到腐蚀。研究人员说，既然从海水中提取淡水的基本原理已经被证明，那么就有很多路径可以探索，以提高性能。更重要的是，它也可以被开发成一个锂收集机。记忆力比我好的读者可能记得我们在2020年发表的一篇报道，其中沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的一个团队开发并测试了一个海水电解装置，该装置也使用特殊的陶瓷膜从海水中吸出磷酸锂。这是一个完全不同的系统，但团队做了一点测试以观察他们的蒸发过程如何影响海水中锂的浓度。他们发现在几百个小时后，锂的浓度明显增加了42倍，而且他们能够沉淀出一些碳酸锂晶体，这表明随着进一步的发展，这些机器可能能够从氢气和电池金属中产生收入，这可能是在商业吸收和扩展方面的一个巨大推动。该研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335403.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335403.htm