太阳能“裂水制氢”突破：效率是同类装置10倍 成本还更低

太阳能“裂水制氢”突破：效率是同类装置10倍成本还更低几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找利用太阳能来生产清洁能源氢的方法，即分解水分子形成氢和氧的方法。然而，这些努力大多以失败告终，因为成本太高，而试图以低成本完成的工艺往往又效果不佳。但研究人员称，这款全新装置最大的好处是降低了可持续氢的成本。这是通过缩小半导体来实现的，半导体通常是设备中最昂贵的部分。该团队的自修复半导体器件可以承受相当于160个太阳的强光。研究成果已于近期发表在了《自然》杂志上。“最终，我们相信人工光合作用设备将比自然光合作用更有效，这将为实现碳中和提供一条途径，”密歇根大学电气和计算机工程教授ZetianMi说。据研究人员介绍称，这一突出成果来自两个方面的进展。第一个是在不破坏半导体器件的情况下，承受高强光的照射。“与一些只在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸减小了100多倍，”密歇根大学电气和计算机工程研究员、该研究的第一作者PengZhou说。，“用我们的技术生产氢气可能会非常便宜。”第二个是新装置能利用太阳光谱中能量较高的部分来分解水，同时利用光谱中能量较低的部分来提供热量来促进反应。这种“魔力”是由一种半导体催化剂实现的，这种催化剂在利用阳光驱动化学反应时，会随着使用而自我修复，减轻催化剂通常会经历的退化反应。具体而言，这种催化剂由氮化铟镓纳米结构制成，生长在硅表面。半导体晶片捕获光线，将其转化为自由电子和空穴。纳米结构中布满了直径为1/2000毫米的纳米级金属球，利用这些电子和空穴来帮助引导反应。面板上有一层简单的绝缘层，将温度保持在75摄氏度的舒适温度，温度足以促进分解反应，同时这个温度也能使半导体催化剂发挥良好作用。在室外版本的实验（阳光和温度难以把控）中，将太阳能转化为氢燃料的效率达到了6.1%。而在室内，该系统的效率达到了9%的效率。值得一提的是，研究人员指出，除了处理高光强度外，它还可以在通常对半导体不利的高温下更好地工作。高温加速了水的分解过程，额外的热量也促使氢和氧保持分离，而不是重新结合并再次形成水。这两种方法都帮助研究小组收获了更多的氢气。未来，该团队打算解决的下一个挑战是进一步提高效率，并实现可以直接输入燃料电池的超高纯度氢。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337921.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337921.htm

麻省理工学院的列车式新设计可利用40%的太阳热能生产清洁氢燃料

麻省理工学院的列车式新设计可利用40%的太阳热能生产清洁氢燃料在最近发表在《太阳能杂志》上的一项研究中，工程师们阐述了一个可以高效生产"太阳能热化学氢"的系统的概念设计。该系统利用太阳的热量直接分裂水并产生氢气，这是一种清洁燃料，可为长途卡车、轮船和飞机提供动力，同时在此过程中不会排放任何温室气体。如今，氢主要是通过涉及天然气和其他化石燃料的工艺生产出来的，从生产开始到最终使用的整个过程来看，这种原本绿色的燃料更像是一种"灰色"能源。相比之下，太阳能热化学制氢（STCH）提供了一种完全无排放的替代能源，因为它完全依靠可再生的太阳能来驱动制氢。但迄今为止，现有的STCH设计效率有限：只有大约7%的太阳光被用来制氢，其结果是产量低、成本高。麻省理工学院的工程师们设计出了一种能有效利用太阳热能分水制氢的系统。图片来源：AhmedGhoniem、AniketPatankar等人提供麻省理工学院的研究小组估计，他们的新设计可以利用多达40%的太阳热能生成更多的氢气，这是向实现太阳能燃料迈出的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本，使STCH成为一种潜在的、可扩展的、经济实惠的选择，帮助交通行业实现去碳化。这项研究的第一作者、麻省理工学院机械工程罗纳德-C-克兰（RonaldC.Crane）教授艾哈迈德-高尼姆（AhmedGhoniem）说："我们认为氢是未来的燃料，因此需要廉价、大规模地生成氢。我们正在努力实现能源部的目标，即到2030年以每公斤1美元的价格制造出绿色氢气。为了提高经济效益，我们必须提高效率，确保我们收集的大部分太阳能都用于制氢。"Ghoniem的研究合著者包括：第一作者、麻省理工学院博士后AniketPatankar；麻省理工学院材料科学与工程教授HarryTuller；滑铁卢大学的Xiao-YuWu；以及韩国梨花女子大学的WonjaeChoi。太阳能站与其他拟议的设计类似，麻省理工学院的系统将与现有的太阳能热源配对，例如聚光太阳能发电站（CSP）--一个由数百面镜子组成的圆形阵列，收集阳光并反射到中央接收塔。然后，STCH系统会吸收接收器的热量，并将其用于分裂水和产生氢气。这一过程与电解法截然不同，后者利用电能而不是热能来分裂水。概念STCH系统的核心是一个两步热化学反应。第一步，水以蒸汽的形式接触金属。这使得金属从蒸汽中吸收氧气，留下氢气。这种金属"氧化"类似于铁在水中生锈，但速度更快。一旦氢被分离出来，氧化（或生锈）的金属就会在真空中重新加热，从而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。MIT研究人员设计的系统旨在优化这一过程。整个系统就像一列在环形轨道上运行的箱形反应器。在实践中，这条轨道将环绕一个太阳能热源（如CSP塔）设置。列车上的每个反应器都将容纳进行氧化还原或可逆生锈过程的金属。每个反应器将首先经过一个热站，在那里暴露在高达1500摄氏度的太阳热量下。这种极端高温会有效地从反应堆的金属中抽出氧气。这样，金属就会处于"还原"状态--随时准备从蒸汽中获取氧气。为此，反应堆将转移到温度约为1000摄氏度的冷却站，在那里接触蒸汽以产生氢气。铁锈和铁轨其他类似的STCH概念都遇到了一个共同的障碍：如何处理反应堆冷却时释放出的热量。如果不对这些热量进行回收和再利用，系统的效率就会很低，无法实用。第二个挑战是如何创造一个高能效的真空环境，使金属能够除锈。一些原型利用机械泵产生真空，但对于大规模氢气生产来说，这种泵能耗太高，成本太高。为了应对这些挑战，麻省理工学院的设计采用了几种节能变通方法。为了回收从系统中逸出的大部分热量，圆形轨道两侧的反应器可以通过热辐射交换热量；热的反应器被冷却，冷的反应器被加热。这样就能将热量保持在系统内。研究人员还增加了第二组反应堆，它们将围绕第一列反应堆以相反的方向移动。这列外反应器的运行温度通常较低，用于从较热的内反应器中排出氧气，而无需使用耗能的机械泵。这些外层反应堆将装载第二种也很容易氧化的金属。当它们环绕一圈时，外层反应堆将吸收内层反应堆中的氧气，有效地去除原有金属的锈迹，而无需使用耗能的真空泵。两组反应堆将连续运行，分别产生纯氢和纯氧。研究人员对这一概念设计进行了详细模拟，发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率，从以前设计所证明的7%提高到40%。Ghoniem说："我们必须考虑到系统中的每一点能量，以及如何使用这些能量，从而最大限度地降低成本。有了这个设计，我们发现一切都可以用来自太阳的热量来驱动。它能够利用40%的太阳热能生产氢气。"明年，该团队将建造一个系统原型，计划在能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试。Patankar解释说："该系统完全投入使用后，将被安置在太阳能发电场中间的一座小楼里。建筑物内可以有一列或多列火车，每列火车上有大约50个反应堆。我们认为这可以是一个模块化系统，你以在传送带上增加反应器，从而扩大氢气生产规模。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393517.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393517.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

太阳能碟形反应器可生产氢气并捕获废品

太阳能碟形反应器可生产氢气并捕获废品EPFL的反应器看起来像一个卫星天线，它的工作原理也很相似--大的弧形表面区域收集尽可能多的光线，并将其集中到悬浮在中间的小装置上。在这种情况下，碟子正在收集来自太阳的热量，并将其以大约800倍的速度集中到一个光电化学反应器上。水被泵入这个反应器，在那里太阳能被用来将其分子分成氢和氧。EPFL新的太阳能制氢系统的核心反应器该反应器还捕捉了该过程中通常只是被释放的两种废品--氧气和热量。氧气可以方便地用于医院或工业用途，而热量则可以通过一个热交换器，可用于加热水或建筑物的内部。该反应器于2020年8月和2021年2月和3月在EPFL校园进行了13天的测试，以了解它在不同天气条件下的工作情况。它的太阳能转化为氢气的效率被发现平均超过20%，每天产生约500克（1.1磅）的氢气。该团队说，有了这样的产出，在一年中，该系统可以为1.5辆驾驶平均距离的氢燃料电池车提供动力，或者为一个四人家庭提供大约一半的电力需求。该研究的通讯作者SophiaHaussener说："随着输出功率超过2千瓦，我们已经破解了我们试点反应器的1千瓦上限，同时保持了这种大规模的创纪录的高效率。在这项工作中取得的产氢率代表了向这项技术的商业实现迈出了真正令人鼓舞的一步"。研究人员说，下一步是在一个金属生产厂建立一个几百千瓦的示范工厂，氢气将用于金属退火，热量用于热水，收集的氧气用于附近医院。这项研究发表在《自然-能源》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355379.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355379.htm

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

谢展寰称绿氢价格相对较贵　待日后具成本效益料可大规模使用

谢展寰称绿氢价格相对较贵待日后具成本效益料可大规模使用政府发表《香港氢能发展策略》。环境及生态局局长谢展寰说，氢能是很有潜力的能源，但在今日而言价格相对较贵，尤其是「绿氢」，即透过可再生能源生产的氢气，相信日后更多生产，具有成本效益后，便能够大规模使用。他表示，目前香港会先使用灰氢，并制定相关规模、标准、人员培训等，当本港在基建成熟后，再视乎「绿氢」的价格，如果具有竞争力时，便会考虑使用。谢展寰说，现时无论内地及外国都大力增加氢气生产能力，相信日后供应并无问题，现时香港要先试验不同场景使用氢能，具有成本效益，加上价格有竞争力，届时再鼓励加大使用。他提到，大家都关注氢能的安全性，但实际上氢能不会比石油气更危险，只要有好的设计及标准，就能安全地使用。政府亦会加强宣传教育，当市民日后见到更多相关应用，担心便会减退。政府已委托机电署做研究，确定氢能巴士能行走隧道。2024-06-1717:54:10