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NagahiroHoshi在最近发表于《通讯化学》（CommunicationsChemistry）杂志上的一项研究中，NagahiroHoshi教授与日本千叶大学工程研究生院的MasashiNakamura、RyutaKubo和RuiSuzuki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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423920.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423920.htm

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池电极中垂直排列的同轴纳米线，质子在纳米线内部的离子芯中传输。铂纳米薄膜外壳中传输的电子与氧气结合，完成燃料电池阴极反应。来源：LANL与其他设计相比，这种创新电极由不易腐蚀的纳米线组成，是聚合物电解质膜燃料电池的核心，它可以让燃料电池使用氢气作为汽车的无排放动力。洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的科学家雅各布-斯本德洛（JacobSpendelow）在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上介绍了他们的研究成果。"这项工作表明，我们可以摆脱传统的碳基催化剂载体，消除与碳腐蚀相关的降解问题，同时还能实现较高的燃料电池性能"。耐久性的增强使这种燃料电池有望应用于重型卡车，在这种应用中，燃料电池的寿命必须超过25000小时。同轴纳米线电极（CANE）由垂直排列的纳米线阵列组成，其中每根纳米线都由催化活性铂膜构成，铂膜围绕着离子传导聚合物芯。通过避免使用碳基催化剂支架，CANE消除了与碳腐蚀相关的常见降解机制。为了评估新型燃料电池的耐用性，洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队进行了加速应力测试。值得注意的是，在针对支持材料进行了5000次应力测试循环后，CANE的性能损失仅为2%。相比之下，传统的碳基电极性能则下降了惊人的87%。同轴纳米线方法是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的几种新型燃料电池设计之一。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380263.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380263.htm

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：BillYen/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》（ProceedingsoftheAssociationforComputingMachineryonInteractive,Mobile,Wearable,andUbiquitousTechnologies）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（BillYen）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（BillYen）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GeorgeWells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：BillYen/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（JosiahHester）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415961.htm

国家燃料电池技术创新中心正式挂牌：全球最大氢燃料电池发动机研发基地

国家燃料电池技术创新中心正式挂牌：全球最大氢燃料电池发动机研发基地8月27日，国家燃料电池技术创新中心正式在山东潍坊挂牌，这是我国在燃料电池技术创新平台建设、氢能大规模示范应用领域，取得的又一突破性进展。据了解，国家燃料电池技术创新中心以潍才动力为主体，联合清华大学、中科院大化所、中国重汽、陕西重汽、山东国惠、中通客车、林德叉车等产业链领军企业、高校、科研院所等，打造产学研用技术创新体系。该中心以燃料电池关键技术研发为核心使命，重点面向交通运输、工程机械、储能、发电等领域，聚焦燃料电池共性关键技术研究、应用开发技术研究、测试评价技术研究和相关研发平台建设，承担了国家《燃料电池发动机及商用车产业化技术与应用》等重大专项，推动重大研究成果产业化。2021年4月16日，国家燃料电池技术创新中心在济南揭牌后，进入了试运营阶段。在试运营一年多的时间里，潍柴动力组建了具有自主创新能力的研发团队，建成了全球最大的2万台氢燃料电池发动机研发制造基地，在燃料电池全产业链研发和产业化方面取得了一大批具有完全自主知识产权的突破性成果。目前潍坊已建成5座加氢站，本次氢燃料电池商用车投放后将达到18条公交运营专线，是全球氢燃料公交线路最密集的区域，也是全球在运氢燃料公交车最多的城市。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309609.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309609.htm

罗尔斯·罗伊斯展示核裂变微型反应堆模型 计划在2029年为月球旅行提供支撑

罗尔斯·罗伊斯展示核裂变微型反应堆模型计划在2029年为月球旅行提供支撑为什么微型反应堆如此重要呢？因为无论是在月球还是太空，电力供应都是个大问题，例如月球存在两周的极夜问题，没有光照就没法发电。美国以前探测器喜欢使用燃料电池，这类燃料电池本质上也是核电池，采用的是放射性同位素衰变，不需要光照就可以为探测器持续供应电力，不过燃料电池虽然寿命长但功率是个问题，微型反应堆可以提供的功率要高的多。劳斯莱斯这个反应堆采用核裂变技术，长度为3米、直径为1米，并且采用模块化设计，目前地球上的核电站主要是烧开水，这种运行结构在3x1米的微型反应堆中可能不太现实，所以工程师们还要研究更好的解决方案。当然如果你觉得英国航天局赞助只有290万英镑非常少的话(也确实不多)，其实还没了解劳斯莱斯的目的，因为这个微型反应堆如果能成功的话，用途非常广泛。其用户不仅可以用于月球基地，也可以在太空旅行中使用，当然也可以在地球上使用，尤其是在当前碳中和背景下，这种微型反应堆属于清洁能源，可以减少碳排放。最后还有个重要用途就是这类微型反应堆也可以用在国防军事领域。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1402709.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1402709.htm

新燃料电池性能较同类产品大幅提升

新燃料电池性能较同类产品大幅提升从天津大学获悉，该校焦魁教授团队成功研发出超高功率密度的质子交换膜燃料电池，其性能比主流同类产品大幅提升。相关成果已发表于国际能源研究期刊《焦耳》。据悉，为应对全球气候变化、实现“双碳”目标，全球能源系统正在经历深刻转型。氢能作为一种潜力巨大的低碳能源载体，在此进程中发挥着重要作用。氢燃料电池被视为最有前景的氢能应用技术之一。然而，如何提高其体积功率密度成为目前技术上的重大挑战。经研究团队估算，采用这种新型燃料电池结构的电堆峰值体积功率密度有望达到9.8千瓦/升，相比目前市面上主流同类产品，性能提升超过80%。这项成果为质子交换膜燃料电池技术的进一步发展提供了重要方向。（科技日报）