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

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料锅炉的效率通常很高。因此，仅靠提高燃烧效率很难减少二氧化碳排放。因此，研究人员正在探索其他方法，以减轻锅炉排放的二氧化碳对环境的影响。为此，一个很有前景的策略是捕获这些系统排放的二氧化碳，并将其转化为有用的产品，如甲烷。要实施这一战略，需要一种特殊类型的膜反应器，即分配器型膜反应器（DMR），它既能促进化学反应，又能分离气体。虽然DMR已在某些行业中使用，但其在将二氧化碳转化为甲烷方面的应用，尤其是在锅炉等小型系统中的应用，仍相对较少。由日本芝浦工业大学的野村干弘教授和波兰AGH科技大学的GrzegorzBrus教授领导的一组日本和波兰研究人员填补了这一研究空白。他们的研究成果最近发表在《二氧化碳利用期刊》上。来自日本和波兰的研究人员开发出一种反应堆设计，可有效捕捉二氧化碳排放并将其转化为可用的甲烷燃料。这一突破可大幅减少温室气体排放，为实现碳中和的未来铺平道路。资料来源：日本SIT的野村干弘教授研究小组双管齐下，通过数值模拟和实验研究来优化反应器设计，以便将小型锅炉中的二氧化碳高效转化为甲烷。在模拟过程中，研究小组模拟了气体在不同条件下的流动和反应。这反过来又使他们能够最大限度地减少温度变化，确保在甲烷生产保持可靠的同时优化能源消耗。研究小组还发现，与将气体导入单一位置的传统方法不同，分布式进料设计可以将气体分散到反应器中，而不是从一个地方送入。这反过来又能使二氧化碳更好地分布在整个膜中，防止任何位置过热。野村教授解释说："与传统的填料床反应器相比，这种DMR设计帮助我们将温度增量降低了约300度。"除了分布式进料设计，研究人员还探索了影响反应器效率的其他因素，并发现一个关键变量是混合物中的二氧化碳浓度。改变混合物中的二氧化碳含量会影响反应的效果。"当二氧化碳浓度为15%左右（与锅炉中的二氧化碳浓度相似）时，反应器生产甲烷的效果要好得多。事实上，与只有纯二氧化碳的普通反应器相比，它能多产生约1.5倍的甲烷，"野村教授强调说。此外，研究小组还研究了反应器尺寸的影响，发现增大反应器尺寸有助于为反应提供氢气。不过，需要考虑一个折衷的问题，因为提高氢气可用性的好处需要谨慎的温度管理，以避免过热。因此，这项研究为解决温室气体排放的主要来源问题提供了一个前景广阔的解决方案。通过利用DMR，可以成功地将低浓度二氧化碳排放转化为可用的甲烷燃料。由此获得的益处不仅限于甲烷化，还可应用于其他反应，从而使这种方法成为高效利用二氧化碳的多功能工具，甚至适用于家庭和小型工厂。这项研究得到了波兰国家机构、克拉科夫AGH大学和日本科学促进会的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432823.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432823.htm

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品大气层中的二氧化碳处于几千年来的最高水平，导致了破坏性的气候后果。同时，我们对塑料的依赖正在导致河流、海洋和从一极到另一极的所有地方都有这种东西的大量堆积。在这两个领域的研究已经促使科学家们设计出反应器，将捕获的二氧化碳或塑料废物转化为油、燃料和其他有用的化学品和材料。但是现在，剑桥大学的科学家们已经设计出第一个可以同时处理两种污染物的反应器。该装置由两个独立的隔间组成--一个用于处理塑料，一个用于处理二氧化碳--以及每个隔间中的一个单元，该单元吸收光的能量并利用它来触发一个催化剂，将原料转化为更有用的东西。光吸收器是过氧化物，它正在成为一种有前途的太阳能电池材料，而催化剂可以根据所需的最终产品来改变。该研究的共同第一作者MotiarRahaman博士说："一般来说，二氧化碳的转化需要大量的能量，但在我们的系统中，基本上你只需向它照射一束光，它就会开始将有害的产品转化为有用和可持续的东西。在这个系统之前，我们没有任何东西可以有选择地和有效地制造高价值的产品"。在测试中，研究小组证明了该反应器可以在正常温度和压力条件下有效地工作，只使用阳光作为能源。一种铜钯合金催化剂能够将PET塑料瓶转化为乙醇酸，这是一种用于化妆品行业的化学品。使用一种钴化合物将二氧化碳转化为一氧化碳，使用一种铜铟合金将合成气转化为一氧化碳，使用一种特定的酶将甲酸盐转化为一氧化碳。更妙的是，该反应器的工作非常高效。该团队说，其生产效率比使用其他太阳能催化剂的设备高100倍。接下来的步骤是在未来五年内进一步开发该反应器，以生产更复杂的分子。这项研究的共同第一作者SubhajitBhattacharjee说："这个系统的特别之处在于它的多功能性和可调控性--我们现在正在制造相当简单的碳基分子，但在将来，我们可以通过改变催化剂来调控这个系统以制造更复杂的产品。"这项研究发表在《自然合成》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338505.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338505.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

革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料

革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料氢气是一种非常有前途的清洁燃料，可以燃烧，或通过燃料电池直接转化为电能。然而，它既昂贵又难以处理，因为它是一种超轻的气体，需要压缩到700个大气压，或者在绝对零度以内低温冷却以达到其液体状态。氨是著名的比氢气本身更好的氢气载体；它的每个氮原子都与三个氢原子结合，虽然它具有腐蚀性，在高浓度下极其危险，但它在大气温度和压力下又是一种稳定的液体，它在许多行业的广泛使用意味着人们在各种条件下有大量的安全处理经验。如前所述，氨携带氢气的能力非常强，但如果你想使用这些氢气，则需要"破解"它，把氢气弄出来，再把无害的氮气释放回大气中。这有两个主要难点：首先，裂解反应是需要耗费能源的，所以大多数氨裂解是在大型设施中进行的，操作温度至少为650-1000℃（1200-1800°F）。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌--相对稀有和昂贵。随着绿色氢气运动作为向清洁能源过渡的一个关键支柱而不断升温，你可以看到为什么莱斯大学的团队对发现一种紧凑和高效的方式来催化室温下的这种裂解反应感到兴奋，因为它只使用铜和铁。该团队的"天线-反应器"光催化剂通过嵌入"反应器"催化剂中的小型"天线"粒子收集光线，从而为其提供催化各种化学反应所需的能量这个团队花费了30多年开发了其"天线-反应器"质子光催化剂。这些是催化剂的纳米颗粒，点缀着小块的"天线"材料，旨在增加催化剂吸收光线的能力。经过适当的调整，这些反应粒子从环境光中吸收能量--无论是太阳光，还是来自低能量LED的光--并踢出短命的"热电子"，其能量足以启动有效的化学反应，即使在环境温度下也是如此。天线-反应器光催化剂可以被设计用于各种反应。例如，我们几周前写过的光能硫化氢转化为氢气的催化剂，其背后是同一个团队，基本上也是同一个基本想法。那个催化剂使用二氧化硅作为"反应器"，用微小的金颗粒作为"天线"从光中吸收能量。这种氨裂解光催化剂使用铁作为其反应器，铜作为其光收集天线--这两种金属都很便宜和丰富，与今天使用的典型铜钌热催化剂不同。据莱斯大学校友和研究报告的共同作者HosseinRobatjazi称，在实验室测试中，"在照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应性，并可与之相媲美"。在最初的实验室测试中使用的小型激光动力电池（左）与Syzygy的更大的激光动力测试设备SyzygyPlasmonics的对比最初的测试是在一个很小的实验装置中使用激光器提供的光进行的。但是研究报告的合著者NaomiHalas也是SyzygyPlasmonics公司的联合创始人，这是一家资金雄厚的公司，旨在将莱斯团队的工作商业化，Syzygy公司能够授权这种特殊的催化剂，并建立一个大约500倍大的测试设备，使用高效的LED照明代替激光。催化剂仍然是一样的高效。团队发表的科学文献中的第一份报告表明用LED的光催化作用可以从氨中生产出克级数量的氢气。这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门，这个过程也会在不需要热量的情况下进行，所以也会节省能源和减少排放。也许最重要的是，这看起来将带来一台小型、可靠、轻量级和冷却的氨裂解装置，而不是在数百度的高温下运行。它不需要建造大型设施来运作。Syzygy说，其最初的Rigel光催化反应器产品大约有一台小型洗衣机那么大，每天处理大约一吨，这取决于它所运行的具体反应。这些反应器可以堆叠起来；如果需要更大的产量，可以同时运行一堆反应器。Syzygy的Rigel光催化反应器与洗衣机差不多大小（右）也许可以在一艘电动货船上安装一组这样的反应器，在需要的地方将容易储存的氨气转化为容易使用的氢气。这本身可能是绝对革命性的，从根本上提高了清洁货运和客运的范围。也许这个概念可能被证明足够小和轻，与航空业有关，在航空业，储存在氨中的氢气的能量密度可以开辟出化石燃料无法达到的航线。也许它最终会小到足以塞进你可以在加油站加满氨气的电动汽车。而这只是这种特殊的光催化剂；莱斯和Syzygy团队当然不会就此罢休。事实上，该公司的目标是在任何可能的地方让热催化剂失去工作。"鉴于其大幅减少化工行业碳排放的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"另一位合著者EmilyCarter补充说。"这些结果是一个很大的动力。他们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂"。一个早期的钯/铝催化剂的细节显示。彩色的电子光谱图显示了"钯岛周围单个质子模式的空间分布。这些质子模式负责捕捉光能并将其转移到催化剂颗粒上。"莱斯大学"催化是化学工业的基础，"另一位合著者和Syzygy公司联合创始人彼得-诺德兰德（PeterNordlander）说，"它是所有社会中最耗能的部分之一。这项工作表明，基于LED的化学实际上是可行的，而且是可以大规模进行的。它可以为工业规模的化学和工业上重要的反应做出贡献。"Syzygy表示，它已经在现场试验中得到了这种反应，并预计在2023年将这些光催化氨裂解反应器投入商业使用。这是一些非常激动人心的技术，在一系列行业中具有巨大的潜力，并为脱碳做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333929.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333929.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