科学家开发出更便宜、更清洁、更环保的氨生产新方法

科学家开发出更便宜、更清洁、更环保的氨生产新方法 这幅图画展示了以锂为媒介将N2转化为氨的过程。图中是在电沉积锂（黑色瓷砖）上发生的一系列反应。在高压下，氮气（添加蓝色块）在锂上发生化学吸附，随后质子化（添加白色块）形成 NHx，最终生成氨气并回收锂。这一循环过程形成了产生氨的催化节奏。这项研究强调了压力和电位在控制固体电解质界面的结构和稳定性以实现氨合成方面的重要性。资料来源：Crystal Price 和 Joseph Gauthier，德克萨斯理工大学；Meenesh Singh，伊利诺伊大学芝加哥分校这一过程被称为锂介导的氨合成，它将氮气和乙醇等供氢流体与带电的锂电极结合在一起。氮原子不会在高温高压下分解氮气分子，而是粘附在锂上，然后与氢结合生成氨分子。该反应可在低温下进行，而且具有再生性，每生产一轮氨，就能恢复原来的材料。"有两个循环会发生。一个是氢源的再生，第二个是锂的再生，"UIC 化学工程副教授辛格说。"由于循环过程的存在，这一反应中充满了交响乐。我们所做的就是以一种更好的方式来理解这种交响乐，并尝试以一种非常有效的方式来调节它，这样我们就能产生共振，使其更快地进行。"辛格实验室在《ACS 应用材料与界面》（ ACS Applied Materials & Interfaces）杂志封面上发表的一篇论文介绍了这一工艺，这是辛格实验室在寻求更清洁的氨方面的最新创新。在此之前，他的研究小组开发出了利用阳光和废水合成这种化学物质的方法，并制造出了一种电气化铜网筛，减少了制造氨气所需的能量。他们的最新研究成果建立在一种并不新奇的反应之上。科学家们对它的了解已有近一个世纪。"基于锂的方法实际上可以在任何有机化学教科书中找到。这是众所周知的。"辛格说。"但是，让这种循环高效、有选择性地运行，从而达到经济上可行的目标，这是我们的贡献"。这些目标包括高能效和低成本。辛格表示，如果规模扩大，该工艺生产氨的成本约为每吨 450 美元，比以前的锂基方法和其他拟议的绿色方法便宜 60%。但是，选择性也很重要，因为许多使氨生产更清洁的尝试最终都产生了大量无用的氢气。辛格小组的研究成果是首批在选择性和能源使用方面达到能源部氨工业化生产标准的成果之一。辛格还表示，该工艺可以在模块化反应器中进行，通过太阳能电池板或其他可再生能源供电，并用空气和水为反应提供原料，可以使该工艺更加绿色环保。该工艺还有助于实现另一个能源目标将氢用作燃料。实现这一目标一直受制于运输高可燃性液体的困难。"产生氢气、运输氢气并将氢气输送到氢气泵站，然后将氢气输送到汽车，这非常危险，"辛格说。"氨可以作为氢的载体。它的运输成本很低，而且很安全，在目的地可以把氨转化回氢。"目前，科学家们正与通用氨公司（General Ammonia Co.UIC）的技术管理办公室已为该工艺申请了专利。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

而一项新的研究消除了制造绿色氢气的一大障碍

而一项新的研究消除了制造绿色氢气的一大障碍 荷兰拉德布德大学和埃因霍温理工大学的研究人员基安-德-克莱因（Kiane de Kleijne）今天在《自然-能源》（Nature Energy）杂志上发表的一篇论文指出，氢气的生产往往会导致大气中二氧化碳（CO2）的增加。这在一定程度上是因为部分氢气来自天然气生产。有一些更环保的制氢方法，比如利用太阳能或风能来驱动氢从水分子中分离出来的过程，但 De Kleijne 认为，在这种情况下，需要考虑创建这些设施的碳足迹。事实上，绿色能源在非洲或巴西等风力和阳光充足的地方最为有效，这也意味着在那里生产的氢气需要运往世界其他地方使用，这再次增加了其碳足迹。De Kliejne 说："如果以这种方式审视整个生命周期，绿色氢气通常（但肯定不总是）会带来二氧化碳减排。在使用风能而非太阳能的情况下，二氧化碳减排量通常更高。未来，随着更多的可再生能源被用于制造风力涡轮机、太阳能电池板和电解槽用钢等，这种情况将得到进一步改善。"在此之前，一种名为质子交换膜（PEM）的流行制氢工艺的新突破可能会有所帮助。质子交换膜是一种水电解工艺，能从水分子中分离出氢。除了为该工艺提供电力的碳成本之外，PEM 还被认为是一种绿色技术，因为它的唯一输出是氧气，而不是二氧化碳。但问题是，铱是唯一能在苛刻的酸性环境中承受水分子被剪切分离的元素之一。而铱是地球上最稀有的金属之一，很难找到，因此 PEM 设备很难大规模制造。西班牙光子科学研究所（ICFO）开展了一项新研究，下面的视频对此进行了详细介绍。 新型催化剂揭示了水在绿色制氢中的隐藏力量基本上，ICFO 的研究人员创造了一种由钴和钨等常见元素制成的阳极催化剂。但为了保护阳极免受电解过程中预计会发生的降解，他们采取了一种独特的方法，即用水浸渍钴钨氧化物水正是阳极催化剂的工作介质。该研究的第一作者拉尼特-拉姆（Ranit Ram）说："在项目开始时，我们就对水本身作为水电解中的潜在作用感到好奇。以前没有人以这种方式主动定制过这种水的界面"。结果是，在电解过程中，当新阳极因失去材料而降解时，水和氢氧化物这两种在电解过程中普遍存在的化合物就会汹涌而入，填补阳极留下的孔洞。这样就形成了一种水性屏蔽，防止阳极过快降解。 在使用 PEM 反应器进行的测试中，这种新材料表现出色。主要合著者 Lu Xia 博士说："我们将电流密度提高了五倍，达到了 1 A/cm2 - 这在该领域是一个非常具有挑战性的里程碑。但关键是，在如此高的密度下，我们还实现了超过 600 小时的稳定性。因此，我们达到了非铱催化剂的最高电流密度和最高稳定性。"研究人员承认，这种新型水浸渍合金的稳定性不如目前的阳极，但他们表示，这一发现可以弥补这一不足，因为它展示了一种不依赖稀缺金属的高效 PEM 方法。事实上，研究小组表示，该工艺甚至可以与其他材料一起使用，这一点非常可取，因为钴通常来自使用童工的矿山。研究参与者、ICFO 教授加西亚-德-阿尔奎尔（García de Arquer）说："钴虽然比铱更丰富，但考虑到它的来源，仍然是一种非常令人担忧的材料。这就是为什么我们正在研究基于锰、镍和许多其他材料的替代品。如有必要，我们将研究整个元素周期表。我们将探索和尝试我们在研究中报告的这种设计催化剂的新策略。"PEM 研究报告已发表在《科学》杂志上。 ... PC版： 手机版：

韩国能源研究所发现新方法 可生产基于氨的清洁氢气

韩国能源研究所发现新方法 可生产基于氨的清洁氢气 科学家们推出了一种不使用化石燃料、利用氨生产清洁氢气的新技术，为氢动力汽车提供了一种生态友好型替代品，并有望应用于可持续能源和运输领域。图为第一个无碳氨分解反应器。图片来源：韩国能源研究院氨是氢和氮的化合物，其储氢密度是液化氢的 1.7 倍，作为最具成本效益的氢气运输方法，它正受到越来越多的关注。特别是，由于它在化肥等各个领域的应用已有 100 多年的历史，因此具备基础设施、处理和安全标准。它被认为是解决氢气储存和运输难题的最实用的解决方案。氨基无碳制氢技术的基本原理（上）。现有技术与 KIER 技术的比较（下图）。资料来源：韩国能源研究院清洁制氢工艺氨气仅由氢和氮组成，因此在分离氢气时不会排放碳。分解过程需要 600℃以上的热能，而目前使用的是化石燃料，因此会排放二氧化碳。因此，要生产清洁的氢气，即使在分解氨的过程中也必须使用无碳能源。通过利用分解反应中残留的少量氢气和氨气，研究人员能够在不使用化石燃料的情况下生产氢气。右起：研究人员 Jung Unho、Koo Kee Young、Park Youngha。资料来源：韩国能源研究院要从氨气中生成纯氢，需要使用钌（Ru）催化剂在 600℃以上的温度下分解氨气，然后通过变压吸附（PSA）技术提纯氢气。在采用这种方法时，会形成氮气和氢气的残余混合气体，并被重新用作氨分解反应器的加热元件。尽管如此，残余气体本身并不能提供足够的反应热，因此必须添加额外的热量。用创新解决方案克服挑战在现有技术中，由于使用天然气（LNG）或液化石油气（LPG）等化石燃料补充反应热不足，因此在燃烧过程中会排放二氧化碳。但是，利用这次开发的系统，通过提供氨而不是化石燃料，可以提供反应热，从源头上阻止二氧化碳的排放。利用所开发的系统，每小时可生产 5Nm3 （约 0.45 千克）纯度超过 99.97% 的高纯度氢气，这种氢气可提供给氢能电动汽车的燃料电池。此外，所生产的氢气的氮杂质浓度小于 300ppm，氨杂质浓度小于 0.1ppm。它符合氢燃料电动汽车的国际标准 ISO 14687。采用1000瓦级 PEMFC 的氨基制氢系统。资料来源：韩国能源研究院研究团队利用从氨中提取的氢气，展示了用于建筑物的 1 千瓦燃料电池系统，该系统在发电的同时不会排放二氧化碳，这是一个重要的里程碑。这项与斗山燃料电池动力事业部（Doosan Fuel Cell Power BU）合作进行的示范具有重要意义，因为它克服了二氧化碳排放问题，而这一直被认为是基于天然气（LNG）的燃料电池系统的缺点。它显示了使用清洁氢燃料电池发电的潜力。据首席研究员 Jung Unho 博士介绍，新开发的技术能够利用氨进行无碳制氢，填补了这一领域的空白，因此意义重大。该技术有望在使用清洁氢气的各个领域得到应用。他接着说："氨和燃料电池的结合为生态船提供了一种可行的动力选择。随着我们规模的扩大，我们还能在清洁氢动力领域产生重大影响"。同时，本研究得到了韩国南方电力有限公司（KOSPO）的支持。(KOSPO) 的支持下进行的。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分 然而，要在这些铁氮碳催化剂的耐久性和效率之间取得平衡却并非易事，因此这一过程充满了挑战。虽然他们已经成功地使催化剂具有持久性或高性能，但同时实现这两个属性仍然是一个巨大的障碍。布法罗大学领导的一项新研究可能会提供一种解决方案。在《自然-催化》杂志上，研究人员报告了如何在制造过程中加入氢气，从而制造出接近铂金性能的强效催化剂。前排中间的吴刚正在努力降低与生产气候友好型燃料电池相关的成本。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。这一进展表明，燃料电池技术在帮助汽车、卡车、火车、飞机和其他重型车辆实现无污染供电的潜力方面迈出了重要一步。"多年来，科学界一直在努力平衡这种权衡。我们可以制造出低成本的有效物质，但它们太容易降解。或者，我们可以制造出非常稳定的物质，但其性能却无法与铂相提并论。"这项研究的通讯作者、工程与应用科学学院化学与生物工程系教授吴刚博士说："通过这项工作，我们朝着解决这个问题迈出了一步。这项工作建立在吴领导的先前研究基础之上，该研究描述了铁-氮-碳催化剂，虽然这种催化剂经久耐用，但却难以加快燃料电池中的重要化学反应。新研究在一种名为热解的制造工艺中解决了这一局限性，该工艺涉及使用极高的温度来组合材料。在高温分解过程中，研究人员在高温舱中将四个氮原子与铁结合在一起。然后，他们将这种材料嵌入几层石墨烯中，石墨烯是一种坚韧、轻盈、柔韧的碳。通常，这一过程是在一个装有氩气等惰性气体的腔体内进行的。但这次，研究人员将氢气送入舱内，形成了 90% 的氩气和 10% 的氢气混合物。因此，研究人员能够更精确地控制催化剂的构成。具体来说，他们能够将两种不同的铁-氮-碳化合物（一种含有 10 个碳原子，另一种含有 12 个碳原子）置于有助于提高耐久性和效率的位置。由此产生的催化剂达到了燃料电池的初始性能，远远超过了能源部 2025 年的目标。事实证明，它比大多数铁氮碳催化剂更耐用，接近燃料电池使用的典型低铂阴极。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶”

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶” 这项由中国科学家领导完成的重要新能源材料研究成果论文，近日以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。图1. 基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点论文通讯作者刘岗研究员指出，基于太阳能光催化分解水的绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术，其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜即“人工树叶”。目前，常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。在自然界，植物光合作用实现太阳能到化学能的转化过程中，植物叶子中起光合作用的光系统II和光系统I，是以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中，这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发，在本项研究中，研究团队利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂在选定基体上规模化成膜，结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成，实现了半导体颗粒的规模化植入。刘岗介绍说，半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成三维立体的强接触界面，其结构犹如“鹅卵石路面”，使得其不仅具有优异的结构稳定性还具有十分突出的光生电荷收集能力。以钒酸铋为例，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出2倍，且长时连续工作120小时几乎无活性衰减；光电极从1平方厘米放大至64平方厘米后，单位面积的光电流密度仍可保持约70%，远优于目前所知大面积钒酸铋光电极小于30%的活性保持率。在此基础上，进一步同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现光催化分解水制氢面板的规模化制备，在可见光照射下，其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍，超过上百小时持续工作无衰减。刘岗表示，本次研发的液态金属成膜新技术还具有普适性好和原材料易回收等优势，利用氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等商业化半导体颗粒，可实现不同半导体颗粒薄膜在不同基体上的规模化制备，所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。此外，在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后仍可保持95%以上的初始活性。在循环和高效利用方面，通过简单的热水超声处理，即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收再利用，且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。 ... PC版： 手机版：

一种高效制氢的新方法可消除爆炸风险和对稀土金属的需求

一种高效制氢的新方法可消除爆炸风险和对稀土金属的需求 瑞典的科学家们开发出了一种创新方法，可以更高效地产生氢能。这一工艺将水分离成氧气和氢气，消除了两种气体结合的危险可能性。这种新方法由位于斯德哥尔摩的 KTH 皇家理工学院开发，它与生产氢气的标准电解过程分离，后者通过电流分裂水分子。与现有系统不同的是，它能分别产生氧气和氢气，而不是同时在同一个电池中产生，因为在同一个电池中，氧气和氢气需要用膜屏障来分离KTH的博士生埃斯特班-托莱多（Esteban Toledo）与KTH应用物理学教授乔伊迪普-杜塔（Joydeep Dutta）共同撰写了今天发表在《科学进展》（Science Advances）上的论文。它还无需稀土金属。两位研究人员为该系统申请了专利，并通过 KTH Innovation 成立了一家名为 Caplyzer AB 的公司来推广这项技术。合著者之一、KTH 皇家理工学院博士生埃斯特班-托莱多（Esteban Toledo）在瑞典斯德哥尔摩使用解耦水分离原型。图片来源：David Callahan商业可行性和效率Dutta 说，氢气转化的法拉第效率达到 99%。研究人员还报告说，实验室测试表明，经过长期测试，电极没有明显退化，这对商业应用非常重要。从水中产生氢的同时总是会产生氧气。典型的碱性电解槽有一个正极和一个负极，正极和负极配对放在一个装有碱性水的槽内，中间有一个可渗透离子的屏障隔开。通电后，水在阴极发生反应，形成氢离子和带负电荷的氢氧根离子，这些离子通过屏障扩散到阳极产生氧气。但屏障会产生阻力，如果电荷波动，氧气和氢气混合爆炸的风险就会增加。托莱多说，对电解水的重新认识为更可靠的绿色能源生产方式奠定了基础，并将太阳能或风能等间歇性能源纳入其中。他说："由于我们没有混合气体的风险，我们可以在更大的输入功率范围内运行。这样就更容易与通常提供可变功率的可再生能源相结合"。用碳制成的超级电容电极取代其中一个电极，可以避免同时产生气体。这些电极交替储存和释放离子，有效地分离了氢气和氧气的产生。当电极带负电并产生氢气时，超级电容器会储存富含能量的氢氧（OH）离子。当电流方向改变时，超级电容器会释放吸收的氢氧根离子，并在现在的正极产生氧气。Dutta 说："一个电极同时完成氧气和氢气的进化。这很像充电电池产生氢气交替充电和放电，这都是为了完成电路"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：