不用化石燃料冶炼钢铁：研究人员利用太阳能打破工业加热1000°C的障碍

不用化石燃料冶炼钢铁：研究人员利用太阳能打破工业加热1000°C的障碍访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器热捕捉器的主要部件是一个石英圆柱体。在实验中，它的温度达到了1050摄氏度，并在这种高温下发光。图片来源：苏黎世联邦理工学院/埃米利亚诺-卡萨提通讯作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的埃米利亚诺-卡萨提（EmilianoCasati）说："为了应对气候变化，我们需要从总体上实现能源的去碳化。人们往往只把电力当作能源，但事实上，大约一半的能源是以热能的形式使用的。"玻璃、钢铁、水泥和陶瓷是现代文明的核心，是建造从汽车发动机到摩天大楼等一切建筑的基本材料。然而，制造这些材料需要超过1000°C的高温，并严重依赖燃烧化石燃料来获取热量。这些行业的能耗约占全球能耗的25%。研究人员利用太阳能接收器探索了一种清洁能源的替代方法，这种接收器通过成千上万个太阳跟踪镜来集中和制造热量。然而，这种技术很难将太阳能有效地传输到1000°C以上的温度。热捕捉器实验示意图。它由一根石英棒（内部）和一个陶瓷吸收器（外部）组成。太阳辐射从前部进入，热量在后部区域产生。资料来源：CasatiEetal.为了提高太阳能接收器的效率，Casati转而使用石英等半透明材料，这种材料可以捕获阳光--这种现象被称为热捕获效应。研究小组制作了一个热捕获装置，将合成石英棒固定在不透明的硅片上作为能量吸收器。当他们将该装置暴露在相当于136个太阳发出的光的能量通量下时，吸收板的温度达到1050°C（1922°F），而石英棒的另一端则保持在600°C（1112°F）。Casati说："以前的研究只能证明170°C（338°F）以下的热捕获效应。我们的研究表明，太阳热捕集不仅在低温下有效，而且远高于1000°C。这对于展示其在实际工业应用中的潜力至关重要。"研究小组还利用传热模型模拟了石英在不同条件下的热捕集效率。模型显示，在相同性能的情况下，热捕集可以在较低的浓度下达到目标温度，或者在相同浓度的情况下达到较高的热效率。Casati和他的同事们目前正在优化热捕获效应，并研究这种方法的新应用。到目前为止，他们的研究取得了可喜的成果。通过探索其他材料，如不同的液体和气体，他们能够达到更高的温度。研究小组还注意到，这些半透明材料吸收光或辐射的能力并不局限于太阳辐射。"能源问题是我们社会生存的基石，"Casati说。"太阳能很容易获得，而且技术已经存在。为了真正推动行业采用，我们需要大规模地展示这项技术的经济可行性和优势。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431301.htm

斯坦福研发多彩新涂料能阻挡热量 使夏季更凉爽、冬季更温暖

斯坦福研发多彩新涂料能阻挡热量使夏季更凉爽、冬季更温暖用新型红外线阻隔涂料涂刷的一系列物体，展示了它的各种颜色图/彭雨灿随着气温变得越来越极端，人们在盛夏和寒冬会更频繁地躲进室内，吹空调或开暖气。但令人沮丧的是，这些耗能系统只会让问题变得更糟。因此，为了减轻一些压力，科学家们一直在研究能为建筑物或车辆被动加热或降温的材料和涂层。一些材料通过反射太阳光来工作，而另一些则利用辐射冷却将热量以红外波的形式发射到天空中。在这项新的研究中，斯坦福大学的研究小组开发了一种新型涂料，它能显著阻隔热量，使建筑物内部根据需要保持温暖或凉爽，而不会消耗大量能源。对于那些可能对反光超白涂料望而却步的审美人士来说，这种涂料还有多种颜色可供选择。这种新型涂料由两层组成。下层含有铝片，能反射高达80%的红外线辐射，防止热量透过铝片。在这层之上，是一层对红外线透明的超薄外层，由不同颜色的无机纳米颗粒组成。研究人员的想法是，这种涂料可以涂在建筑物的外部，在夏天隔绝热量，而在冬天则可以涂在内部墙壁上，更好地保持室内热量。研究小组测试了白色、蓝色、红色、黄色、绿色、橙色、紫色和深灰色的油漆样品，发现每种油漆对中红外光的反射能力都比相同颜色的传统油漆强10倍左右。在实验室实验中，新型油漆的加热能耗降低了约36%，制冷能耗降低了20%以上。接下来，研究人员对美国各地不同气候条件下的中型公寓楼进行了模拟实验，这些公寓楼内外都涂上了新材料，结果发现，一年下来，供暖和制冷的总能耗下降了约7.4%。此外，他们还对涂料的耐久性进行了测试，结果发现这些涂料具有防水性，在80°C（176°F）的高温或-196°C（-321°F）的低温下暴露一周后，其性能也没有任何下降。高酸度和低酸度环境对它们的影响也不大。研究人员说，经过进一步调整，这种新型涂料可以成为被动式气候控制的关键工具，减少对高能耗的暖通空调系统的依赖。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377197.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377197.htm

研究人员用创新型吸水鳍片从空气中收集饮用水

研究人员用创新型吸水鳍片从空气中收集饮用水一个简单、紧凑的系统首先收集空气中的水分（左），然后在加热时释放被截留的液体（右），从而获得饮用水。图片来源：XiangyuLi编辑清洁、安全的水是一种有限的资源，能否获得取决于当地的水体。但即使是干旱地区，空气中也会有一些水蒸气。为了收集少量湿气，《ACS能源快报》（ACSEnergyLetters）上的研究人员开发出了一种紧凑型装置，这种装置带有吸附涂层翅片，可以先吸附湿气，然后在加热时产生饮用水。他们表示，这种原型设备有助于满足日益增长的用水需求，尤其是在干旱地区。地球大气中蕴藏着数万亿升淡水蒸气，但要收集这种无色、透明、稀薄的气体却很困难。以前，研究人员开发了一些系统来捕捉露水或雾，将液体汇集到容器中。但在露水不多的干燥地区，温度响应水凝胶、金属有机框架或沸石（结晶铝硅酸盐）等特殊材料可能有助于从空气中吸附少量水分，并在加热时释放水分。然而，要使这些吸水剂在实际应用中切实可行，就需要将它们整合到带有废热源的紧凑型便携设备中，例如在高温下运行的应用或作为副产品释放热量的系统。因此，李翔宇、BachirElFil及其同事开发出了一种符合这些规格的湿度收集器。研究人员设计了吸水"翅片"，将铜片夹在涂有市售沸石的铜泡沫之间。作者说，与以往侧重于材料开发的研究相比，吸附床与材料特性的共同设计造就了薄吸附翅片，这种翅片结构紧凑，能快速收集水。为了进行概念验证，他们制作了一种装置，将10片小型吸附翅片并排放置在铜底板上，间距约为2毫米，这样的间距可以最大限度地从相对湿度为10%的沙漠空气中捕获水分。在一小时内，吸附翅片达到饱和，然后在底座温度达到华氏363度时释放出捕获的水分。根据24个收集-释放周期的推断，研究小组计算出，在相对湿度为30%的空气中，鳍片上1升的吸水涂层每天可产生多达1.3升的饮用水，这个体积是之前开发的设备的2到5倍。这项工作为每天多次从干燥空气中快速捕获水分和集水提供了关键机会。研究人员说，随着进一步的开发，该系统可以集成到产生废热的现有基础设施中，如建筑物或运输车辆，为干旱地区提供一种具有成本效益的饮用水生产方式。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436180.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436180.htm

研究人员利用液体的分子运动创造下一波发电技术的新领域

研究人员利用液体的分子运动创造下一波发电技术的新领域作者栾玉成说："地球上有大量的空气和液体，成功地收集它们可以为社会生产巨大的能源。"在本周发表在AIP出版社《APLMaterials》上的一篇文章中，栾玉成和他的合作者测试了一种分子能量收集装置，这种装置能从液体中分子的自然运动中捕捉能量。他们的工作表明，分子运动可用于产生稳定的电流。为了制造这种装置，研究人员将压电材料的纳米阵列浸没在液体中，让液体的运动带动纳米阵列移动，就像海藻在海洋中摆动一样，只不过在这种情况下，运动是在看不见的分子尺度上进行的，而纳米阵列是由氧化锌制成的。之所以选择氧化锌材料，是因为它具有压电特性，这意味着当它在运动中发生波浪、弯曲或变形时，就会产生电动势。分子热运动收集器（MTMH）的发电机制。资料来源：栾玉成、李伟栾玉成说："作为一种经过充分研究的压电材料，氧化锌可以很容易地合成各种纳米结构，包括纳米晶须。纳米晶须是由许多纳米线构成的整齐有序的结构，类似于牙刷上的刷毛。"这种能量收集器可用于为植入式医疗设备等纳米技术打下基础，也可扩展到全尺寸发电机和千瓦级能量生产。该装置的一个关键设计特点是不依赖任何外力，这增加了它作为改变游戏规则的清洁能源的潜力。"分子热运动收集器装置不需要任何外部刺激，这与其他能量收集器相比是一个很大的优势，"Luan说。"目前，电能主要通过外部能源获得，如风能、水能、太阳能等。这项工作开辟了通过液体分子热运动产生电能的可能性，它来自物理系统的内能，与普通机械运动有本质区别。"研究人员已经在进行下一阶段的设计，通过测试不同的液体、高性能压电材料、新的设备架构以及扩大设备来提高设备的能量密度。"我们相信，在不久的将来，这种新型系统将成为人类获取电能的一种不可或缺的方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391501.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391501.htm

德克萨斯大学研究人员发明将夏季热空气转化为饮用水的新装置

德克萨斯大学研究人员发明将夏季热空气转化为饮用水的新装置德克萨斯大学的研究人员创造了一种水凝胶，它能利用阳光从空气中产生可饮用的水。这项技术可制成高效的微凝胶，有望为全球水资源短缺问题提供一种经济、便携的解决方案。上图为利用凝胶收集的水样。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校利用太阳能制水研究人员能够在低至40摄氏度的条件下，利用太阳能从大气中提取水并使其成为可饮用水，这与得克萨斯州和世界其他地区的夏季天气相吻合。这意味着，有朝一日，热量过高、清洁水源极少的地方的人们只需在室外放置一个装置，它就能为他们制水，而无需付出额外的努力。"有了我们的新型水凝胶，我们就不只是凭空取水了。我们做得非常快，而且不消耗太多能量，"科克雷尔工程学院沃克机械工程系和德克萨斯材料研究所的材料科学与工程教授GuihuaYu说。"我们的水凝胶真正吸引人的地方在于它是如何释放水的。想想炎热的德克萨斯州的夏天--我们可以利用气温的自然起伏，不需要开加热器。"从空气中生成水的原型设备。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校根据湿度条件，该装置每公斤凝胶材料可产生3.5至7公斤水。这项研究的一个重要特点是，水凝胶可适应被称为"微凝胶"的微颗粒。这些微凝胶可以提高速度和效率，使这种设备更接近现实。通过将水凝胶转化为微小颗粒，可以实现超快的水捕捉和释放。这提供了一种新型、高效的吸附剂，通过每天多次循环，可以显著提高产水量。研究人员正在对该技术进行更多改进，以期将其转化为商业产品。其中一个重点领域是优化微凝胶的工程设计，以进一步提高效率。扩大规模是下一步的重要工作。研究人员的目标是将他们的研究成果转化为切实可行、可扩展的解决方案，在全球范围内作为一种低成本、便携式的清洁饮用水制造方法使用。这可能会改变埃塞俄比亚等国家的民众的生活，因为这些区域有近60%的人口无法获得基本的清洁饮用水。实验室的研究生赵雅萱说："我们开发这种设备的最终目的是让全世界需要快速、持续获得清洁饮用水的人都能用上，尤其是在那些干旱地区。"该团队正在研究用有机材料制成的其他版本的设备，这将降低大规模生产的成本。在向更具商业可行性的设计过渡的过程中，也面临着扩大吸湿剂生产规模和保持产品寿命耐用性的挑战。研究的重点还包括如何使设备便于携带，适用于各种应用场景。本项目由韦尔奇基金会诺曼-哈克曼化学研究奖（NormanHackermanAwardinChemicalResearch）和卡米尔-德雷福斯教师学者奖（CamilleDreyfusTeacher-ScholarAward）资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390123.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390123.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