研究人员更接近于解决氢脆问题带来的巨大挑战

研究人员更接近于解决氢脆问题带来的巨大挑战该研究成果发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上，由副校长（研究-企业与参与）朱莉-凯尔尼（JulieCairney）教授和陈怡生（Eason）博士领导的研究小组展示，该小组成员包括刘然明博士和博士生刘鹏宇。他们使用了悉尼大学首创的一种先进的显微镜技术，即低温原子探针断层扫描技术，可以直接观察材料中的氢分布。"我们希望这项研究能让我们更接近揭示钢中发生氢脆的确切原因，为大规模解决氢气运输和储存问题铺平道路，"凯尔尼教授说，他所在的澳大利亚显微镜和微分析中心就是这项研究的开展地。氢脆是氢导致钢等高强度材料变脆和开裂的过程。研究人员说，氢脆是向氢经济过渡的最大障碍之一，因为它阻碍了氢在高压下的有效储存和运输。因此，了解和解决脆化问题对可再生能源市场来说是一个价值数十亿美元的问题，德勤估计，到2050年，清洁氢气市场规模将达到1.4万亿美元。"大规模氢经济的未来在很大程度上取决于这个问题。氢是出了名的阴险；作为最小的原子和分子，它渗入材料，然后裂开并破坏它们。"陈博士说："要想有效地大规模生产、运输、储存和使用氢气，这种情况并不理想。"钼被添加到钢中，并与其他元素结合，形成一种被称为"碳化物"的极其坚硬的陶瓷。碳化物通常被添加到钢中，以提高钢的耐久性和强度。利用先进的显微镜技术，研究人员看到被捕获的氢原子位于碳化物位点的核心，这表明钼的加入有助于捕获氢。与之相比，基准碳化钛钢没有显示出相同的氢捕获机制。添加钼有助于提高碳空位的存在，碳空位是碳化物中的一种缺陷，能有效捕获氢气。添加的钼仅占钢材总量的0.2%，研究人员称，这使其成为一种具有成本效益的降低脆性的策略。研究人员认为，铌和钒也可能对钢材产生类似的影响。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422134.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422134.htm

"章鱼"分子 - 棘手的核废料迎来新的潜在解决方案

"章鱼"分子-棘手的核废料迎来新的潜在解决方案然而，核能的生产会产生放射性废料。确保核废料的安全处理和处置是一个需要解决的关键问题，只有解决了这个问题，公众才能完全信任并接受这种可能改变游戏规则的能源解决方案。现在，休斯顿大学的一个研究小组提出了一种创新的核废料管理解决方案：基于环四苯甲酰肼的分子晶体。这些晶体基于该团队2015年的一项突破性发现，能够在水溶液和有机溶液中以及两者之间的界面上捕获碘--最常见的放射性裂变产物之一。晶体非常微小，看起来就像粉末一样，在捕获碘之后，晶体的颜色从焦黄色变成了深紫色。资料来源：休斯顿大学"最后一点尤为重要，因为在界面上捕捉碘可以防止碘到达并破坏核反应堆和废物容器中使用的专用涂料，"化学教授、《细胞报告-物理科学》（CellReportsPhysicalScience）杂志上详细介绍这一突破的论文通讯作者奥格尼恩-米尔亚尼奇（OgnjenMiljanic）说。这些晶体表现出惊人的碘吸收能力，可与多孔金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）相媲美。这项研究的第一作者亚历山德拉-罗伯斯（AlexandraRobles）是一名前博士生，她的毕业论文就是以这项研究为基础撰写的。罗伯斯对寻找核废料解决方案的兴趣促使她研究如何利用晶体捕捉碘。米尔亚尼奇说："她最终在有机层和水层之间的界面上捕获了碘，而这是一种未被充分研究的现象。"他补充说，"这一特殊特征提供了一个至关重要的优势。当这种材料沉积在有机层和水层之间时，它基本上阻止了碘从一层转移到另一层"。晶体分子结构示意图。资料来源：休斯顿大学这种工艺不仅可以保持反应堆涂层的完整性并提高密封性，而且捕获的碘还可以从一个区域转移到另一个区域。"米尔亚尼奇说："我们的想法是，在难以管理的地方捕获碘，然后在易于管理的地方释放碘。这种捕捉和释放技术的另一个好处是，晶体可以重复使用。如果污染物只是粘反应装置在上，整个设备就得扔掉。这会增加浪费和经济损失"。当然，所有这些巨大的潜力还需要在实际应用中进行检验，这让米尔扬尼克开始考虑下一步的工作。米尔扬尼奇的团队利用市面上的化学品制造出了这些只含有碳、氢和氧原子的微小有机分子。每块晶体都是一个环形结构，上面有八块线性碎片，因此研究小组给它起了个绰号叫"章鱼"。米尔亚尼奇说："它们非常容易制造，可以用相对廉价的材料大规模生产，不需要任何特殊的保护。"休斯顿大学化学教授OgnjenMiljanic领导的研究团队正在研究这些晶体。图片来源：休斯顿大学他估计，目前在学术实验室中生产这些晶体的成本约为每克1美元。在工业环境中，米尔亚尼奇相信成本会大幅下降。这些"饥饿"的小晶体用途非常广泛，可以捕获的不仅仅是碘。米尔亚尼奇和他的团队已经利用其中的一些晶体来捕捉二氧化碳，这将是向更清洁、更可持续的世界迈出的又一大步。此外，"章鱼"分子与用于制造锂离子电池的材料中的分子密切相关，这为其他能源机会打开了大门。米尔亚尼奇说："这是一种简单的分子，可以做各种不同的事情，这取决于我们如何将它与任何给定系统的其他部分整合在一起。因此，我们也在追求所有这些应用。"他对晶体带来的巨大潜力感到兴奋，并期待着探索实际应用。他的下一个目标是找到一个合作伙伴，帮助科学家探索不同的商业方面。在此之前，研究人员正计划进一步探索晶体结构的动力学和行为，使其更加完善。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373561.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373561.htm

研究人员成功将废弃鸡脂肪转化为清洁能源

研究人员成功将废弃鸡脂肪转化为清洁能源研究人员开发出一种将鸡脂肪转化为超级电容器碳基电极的新方法，为传统材料提供了一种环保型替代品。这一创新不仅解决了与现有存储设备相关的成本和环境问题，还提高了能源存储技术的性能和效率。全球正朝着更可持续的绿色能源方向发展，这增加了电力储备和对储能设备的需求。遗憾的是，用于这些设备的某些材料既昂贵又存在环境问题。利用通常被扔掉的东西生产替代储能设备有助于解决这些难题。现在，研究人员在《ACS应用材料与界面》（ACSAppliedMaterials&Interfaces）杂志上报告了一种将鸡脂肪转化为碳基电极的方法，这种电极可用于超级电容器，储存能量并为LED供电。这种提取的鸡脂肪为超级电容器创造了一种碳基材料。资料来源：MohanReddyPallavolu根据国际能源机构的数据，2023年，全球可再生能源发电能力将比上一年前所未有地增长近50%。但是，这些多余的能源必须储存起来，以便日后从其生产中获益。例如，由于屋顶太阳能电池板供应过剩，加利福尼亚州的晴天最近引发了负能源价格。由于石墨烯等碳材料具有高效的电荷传输和天然丰富的资源，最近设计高性能存储设备的努力利用了这些材料，但其制造成本高昂，而且会产生污染和温室气体。为了寻找替代碳源材料，MohanReddyPallavolu、JaeHakJung、SangWooJoo及其同事希望开发一种简单、经济有效的方法，将废弃鸡脂肪转化为导电纳米结构，用于超级电容器储能装置。研究人员首先使用燃气火焰喷枪灼烧鸡肉中的脂肪，然后使用火焰灯芯法燃烧融化的油，就像使用油灯一样。然后，他们将油烟收集到悬浮在火焰上方的烧瓶底部。电子显微镜显示，烟尘中含有碳基纳米结构，它们是由同心石墨环组成的均匀球形晶格，就像洋葱的层状结构。研究人员测试了一种通过将碳纳米粒子浸泡在硫脲溶液中来增强其电气特性的方法。在这些非对称超级电容器中，当使用源自鸡肉的碳材料作为电极时，LED可以点亮。资料来源：MohanReddyPallavolu将鸡脂肪来源的碳纳米粒子组装到非对称超级电容器的负极中，可显示出良好的电容性和耐用性，以及高能量和功率密度。正如所预测的那样，当电极由硫脲处理过的碳纳米颗粒制成时，这些特性得到了进一步改善。研究人员随后演示了新型超级电容器的实时应用--充电并连接两个超级电容器，点亮红色、绿色和蓝色LED灯。这些成果凸显了利用鸡脂肪等食物垃圾作为碳源，寻找更环保的绿色能源的潜在优势。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435382.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435382.htm

研究人员开发出分子设计新准则 可防止电子通过原子振动耦合损失能量

研究人员开发出分子设计新准则可防止电子通过原子振动耦合损失能量对于这些系统中的电子来说，与这些振动相连意味着它们也在不断运动，以百万分之一亿秒的时间尺度随着原子的旋律起舞。但是，所有这些舞动都会导致能量损失，并限制有机分子在发光二极管（OLED）、红外传感器以及用于研究细胞和标记癌细胞等疾病的荧光生物标记物等应用中的性能。现在，研究人员利用激光光谱技术发现了能够阻止这种分子舞蹈的"新分子设计规则"。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，揭示了能够阻止电子与原子振动耦合的关键设计原则，从而有效地关闭了分子的紧张舞蹈，推动分子实现无与伦比的性能。艺术家绘制的有机分子光发射特性受原子量子舞动调节的示意图。图片来源：剑桥大学卡文迪什实验室PratyushGhosh编辑该研究的第一作者、圣约翰学院博士生普拉蒂什-戈什（PratyushGhosh）说："所有有机分子，如活细胞中或手机屏幕中的有机分子，都是由碳原子通过化学键相互连接而成的。这些化学键就像微小的振动弹簧，电子通常会感受到它们，从而损害分子和设备的性能。然而，我们现在发现，当我们将分子的几何和电子结构限制在某些特殊构型时，某些分子可以避免这些有害影响。"为了证明这些设计原理，科学家们设计了一系列高效的近红外发射（680-800纳米）分子。在这些分子中，振动造成的能量损失--实质上是电子随原子的旋律起舞--比以前的有机分子低100多倍。这种对设计发光分子的新规则的理解和开发，为未来开辟了一条极其有趣的轨迹，这些基本观察结果可以应用于各行各业。"这些分子如今也有广泛的应用。现在的任务是将我们的发现转化为更好的技术，从增强型显示器到用于生物医学成像和疾病检测的改良分子，"领导这项研究的卡文迪什实验室的AkshayRao教授总结道。编译来源：ScitechDailyOI:10.1038/s41586-024-07246-x...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431700.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431700.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

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率北京理工大学的研究人员设计了一种具有非晶相和晶相以及丰富缺陷的电催化剂，可以更有效地分解水并产生清洁燃烧的氢气。图片来源：纳米研究能源，清华大学出版社研究人员的研究结果最近发表在《纳米研究能源》杂志上。中国科学院教授李翠玲表示：“由可再生能源驱动的水电解制氢，即利用电流分解水，将氢气与氧气分离，是缓解和解决能源和环境危机的一项有前景的技术。”析氧反应是水电解的阳极反应，其中直流电引起化学反应，将氧分子从水分子中分离出来。然而这种反应是“一个缓慢的过程”，它限制了水电解作为生产氢气的可持续机制。据李说，析氧反应很慢，因为它需要大量的能量来触发分子转移其成分，但如果与更高效的催化剂结合，可以用更少的能量加速。开发用于析氧反应的高效电催化剂对于开发用于清洁能源转换的电化学装置至关重要，研究人员转向氧化钌，这是一种成本较低的催化剂，与其他催化剂相比，它对反应物和中间体的粘附更少。李说：“与商业产品相比，氧化钌基纳米材料具有更好的析氧反应性能，而迫切需要更复杂的电催化剂设计策略来激发更有效的催化性能，并且在很大程度上尚未得到探索。”为了填补这一空白，研究人员合成了氧化钌多孔颗粒。然后，他们处理颗粒以产生合理调节的异相，这意味着颗粒包含集成在一起的不同结构。多孔和多相结构提供了一种缺陷-本质上是原子结构中的缺口，这使得析氧反应能够更有效地进行更多的活性位点。李说：“得益于所得样品的丰富缺陷、晶体边界和活性位点可及性，证明了优异的析氧反应性能。工程电催化剂不仅能产生更好的析氧反应，而且还可以产生更好的析氧反应。为该过程提供更少的电力。这项研究证明了相工程的重要性，并为策略组合催化剂的设计和合成提供了新途径。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368041.htm