【金沙js77999送彩金】廉价电催化剂,神秘的人为树叶

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加拿大卡尔加里大学的两位研究者Curtis Berlinguette与Simon
Trudel最近取得了一个里程碑式的突破,他们发明了一种新型“电催化剂”(electrocatalysts),能够非常高效且廉价地将电能转化成化学能,也就是我们熟悉的水电解过程。他们的研究论文已于昨天发表在《科学》(Science)杂志上。

新的水劈裂法可以开辟通往氢经济的道路。

姓名:张志彪          学号:16050120102

近日,我校材料科学与工程系梁永晔副教授课题组在国际一流学术期刊《Advanced
Functional Materials》(影响因子11.382)上发表题为《Iron-Doped Cobalt
Monophosphide Nanosheet/Carbon Nanotube Hybrids as Active and Stable
Electrocatalysts for Water
Splitting》的学术论文,介绍在水分解电催化剂研究中的最新成果。

让氢能源不再昂贵

电催化剂,是用于在电解器中催化水分解为氢气与氧气的反应的一种特殊催化剂。这一反应生成的氢气可以存储并随时再次转化为电能,整个过程中唯一的副产品就是水,还可以被用来再利用,堪称是最为绿色的能源系统。研究人员表示,只需一个迷你冰箱大小的电解器和几升水,就能为一户人家存储和提供可再生能源,不再让太阳能面板和风力发电机发出的电能白白浪费。而且,电解器的工作中几乎没有任何碳排放。虽然电池也可以用来存储多余电能,但是相比氢来说,电池存储的效率相当之低,而且非常不环保。“氢在能源经济中所扮演的角色就是太阳能和风能的存储物。”Berlinguette说道。

但是,现有的电催化剂大多数都是用钌或铱之类的有毒稀有金属制造出的晶状金属氧化物,价格非常高昂。为了寻找一种廉价又高效的电催化剂,全世界的科学家们已经努力了许多年。

“这一突破给存储和再利用风能与太阳能提供了一个相对廉价的办法。”Berlinguette说道,“对于实现大规模的清洁能源经济来说,我们的成果意味着非常重要的一步。”如果普通人也可以用上电解器,那么就可以将自家发的电或是在谷电时期买来的廉价电能存储起来留作后用,如果有余的话,你还可以在用电高峰时期把电“卖回”给电网。

技术能有效地从水中产生氢。

转载自

氢气被认为是一种比较理想的能源载体。电化学分解水产氢是一种非常有前景的技术方案,它可以利用由可再生能源转换的电能和地球上储量丰富的水资源来进行可控的、集中的氢气生产。因此,开发廉价、高性能的电催化剂用于促进阴极氢气析出和阳极氧气析出反应来提高能量转换效率是能源领域中一项极为重要的研究课题。

【金沙js77999送彩金】廉价电催化剂,神秘的人为树叶。催化剂研究的全新领域

另一位研究者Trudel补充道:“我们的这项突破还为催化剂材料的制作开辟了一个崭新的领域,有着非常广阔的空间等待我们去探索。”

传统的催化剂一般都会选用那些“纯净”的有着晶状结构的材料,非结构化的材料往往都会被当成废渣遗弃。也因此,过去三十年来催化剂领域鲜少出现重大的进步。但Berlinguette与Trudel却创造出了一种全新的催化剂制造方法,他们将那些便宜、矿藏丰富又无毒的金属(比如铁、钴和镍)氧化物结合起来,形成了一种非常松散无章的非晶态材料。相比高度美观而对称的晶状体,这种非晶态材料堪称“满身是坑”,但这些“坑”却恰恰让这种结构体拥有了相当高的催化能力。“实验证明,我们研发的第一代催化剂就拥有了与现在市面上那些研发了30年之久的催化剂相同的功效。”Trudel说道。但其价格却便宜了1000倍之多。

研究人员还表示,他们可以将元素周期表上的任意金属加入到催化剂成分中。“我们的制造方法为催化剂制造打开了一个全新的领域。”Berlinguette说道。

目前,研究人员正在测试各种不同的催化剂配方,以求更加深入地理解这种非晶态材料,并找到最佳的催化剂,他们也在尝试利用纳米科技提高催化剂的效率。同时,他们还在制造一种“光电催化剂”(photo-electrocatalyst),这种催化剂可以借助阳光来让电解器产生更多的氢。Berlinguette和Trudel还将相关技术注册了专利,并建立了名为“FireWater
Fuel”的公司,试图将他们的研究成果商业化,他们希望能在2014年让新型催化剂开始大规模商用,并在2015年让普通用户用上家用电解器。

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催化剂的发明者Curtis Berlinguette与Simon
Trudel。图片来源:University of Calgary.

 

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信息来源:EurekAlert!
文章题图:Shutterstock

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【嵌牛导读】如今社会发展迅速,人类科技需要的能源越来越多,然而世界上的能源量是有限的,为了长久的发展,就必须要解决能源危机。所以现在社会上创造出了“人工树叶”来解决这一问题。

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催化剂材料简化结构示意图以及它们催化水分解反应示意图
催化剂材料的扫描透射电子显微镜相片和选区元素分布成像
单节AA干电池驱动的两电极碱性水分解电解池

华盛顿州立大学的研究人员已经找到了一种更有效地从水中生成氢的方法——这是使清洁能源更加可行的重要关键。

【嵌牛鼻子】  光合作用      发电

梁永晔课题组报道了一种多级结构工程的策略来实现协同优化水分解催化剂的催化性能。通过两步化学合成途径,研究人员制备出了铁掺杂的磷化钴纳米片与碳纳米管的复合物
。研究发现,这类复合物催化剂具有与标杆的金属铂催化剂接近的氢气析出反应催化活性。并且首次发现Fe掺杂量对这类无机-纳米碳复合物催化剂在不同pH电解质中的催化氢气析出性能有明显的影响。另一方面,通过原位的电化学氧化/水解,这类复合物催化剂可以转换为Fe掺杂的羟基氧化钴/碳纳米管的复合物并展现出非常优异的氧气析出催化性能。进一步,研究人员利用这类复合材料作为正负电极的催化剂构筑了一个简易的碱性水分解电解池,并证明了这种电解池可以在1.5
V的电压下以10 mA
cm-2的电流密度持续稳定的进行水分解,该性能是目前水分解电催化剂的最好性能之一。该电解池也可以由单节AA干电池来驱动分解水产生氢气和氧气

使用廉价的镍和铁,研究人员开发了一种非常简单的五分钟的方法来制造大量高质量的催化剂,用于化学反应分离水。

【嵌牛提问】人工树叶是什么?它的基本原理是什么?发展前景怎么样?

梁永晔为该论文通讯作者,材料系实验员张星为该论文第一作者,合作者包括徐浩旻、张潇、吴子珊、王海梁。该工作得到了国家青年千人计划、深圳市基础研究学科布局项目、孔雀团队、重点实验室项目等基金支持。

能源转换和储存是清洁能源经济的关键。由于太阳能和风力发电只是间歇性地发电,因此对储存和储存电能的方法至关重要。储存可再生能源最有前途的想法之一是利用可再生能源产生的多余电能将水分解成氧气和氢气。氢在工业上有无数的用途,可以用于氢燃料电池汽车。

【嵌牛正文】人工树叶是一种如扑克牌大小的片状材料,复制了自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程。使用方法也非常简单:将它放在水中,暴露在太阳光下,即可将水有效地分解为氧气和氢气,这些气体再被输送到一个分离的燃料电池中储存并发出电力。

文章链接:

然而,由于昂贵的金属催化剂(通常是白金或钌)的昂贵成本,工业并没有广泛使用水的分裂过程。分离水的许多方法也需要太多的能量,或者所需的催化剂材料分解得太快。

       
植物是通过光合作用获取生长所需的能量的。简单地讲,树叶中有两套系统:光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ负责吸收二氧化碳,生成植物生长需要的有机物。光系统II负责吸收太阳光,并将水分解为氧气,同时产生质子和电子。事实上,地球上95%的氧气来源于这一过程,而产生的电子和质子将会参与到与二氧化碳的反应中,从而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。当然,这中间还涉及许多复杂的生化反应过程,在这我们不再详细叙述。

供稿:材料科学与工程系

在他们的研究中,由机械和材料工程学院Yuehe
Lin教授领导的研究人员使用了两种大量可用的廉价金属来制造一种多孔纳米材料,其效果比目前使用的大多数催化剂都要好,包括那些由贵金属制成的催化剂。他们创造的催化剂看起来像一个小海绵。纳米材料由于其独特的原子结构和许多裸露的表面,可以比其他催化剂催化更少的能量的重要反应。在12小时的稳定性试验中,催化剂的活性几乎没有损失。

       
“人工树叶”,其核心正是模仿了树叶的这一过程——通过一种化学催化材料,将水在一定的电压下高效地电解为氧气,同时产生质子和电子;产生的质子与电子可以结合,生成氢气,提供一种清洁的能源。在这一过程中所需的电力,将由硅太阳能电池供给。

“我们采取了一种非常简单的方法,可以很容易地在大规模生产中使用,”WSU博士生Shaofang
Fu说。他合成了这种催化剂,并进行了大部分的活性测试。

       
诺切拉教授发明的核心就在于他们发现了高效廉价的电解水的电极催化材料,从而使得这一过程的经济性大大增加,让规模化应用成为可能。

WSU的研究人员与来自Argonne国家实验室和太平洋西北国家实验室的高级光子源的研究人员进行了合作。

       
2013年,诺塞拉在美国麻省理工学院化学系从事研究工作。他曾经指出,人造树叶的想法来自化学家早些年的想象,终有一天会发现“植物们守护着的秘密”。诺塞拉说,最重要的秘密是水分解成氢气和氧气的过程。在人造树叶两面分别产生氢气和氧气的薄膜中间夹着日光收集器。将人工树叶放入阳光照射下的水中,人造树叶周围会产生气泡,释放出的氢气能用于为燃料电池产生电力。这些能自给自足的廉价供能单位,对需要电力的偏远地区和发展中国家很有吸引力,但迄今为止的设计都依赖像铂那样昂贵的金属和高成本的制造工艺上。

“国家实验室的先进材料表征设施,为催化剂的组成和结构提供了深刻的理解,”另一位研究催化剂特性的WSU博士生Junhua
Song说。

       
为了使这些设备得到更广泛的应用,诺塞拉将用于产生氢气的催化剂铂用镍钼锌合金替代。在叶子的另一面,有一层用钴做的薄膜用来产生氧气。诺塞拉指出,所有这些材料在地球上都十分丰富,不像稀有昂贵的金属铂、贵金属氧化物和已经被其他人使用过的半导体材料。

研究人员现在正在寻求额外的支持,以扩大他们的大规模测试工作。

       
不久后,诺塞拉从麻省理工学院来到哈佛大学,便和希尔韦开始合作。他们在“个性化的能源”或制造能源本地化的理念上达成一致,认为能源本地化将在发展中国家具有吸引力。这是相对于当前的能源系统,比如石油需集中生产,然后送到加油站的制造能源方式。

金沙js77999送彩金,“这只是实验室规模的测试,但这是非常有希望的,”林说。

       
事实上,关于“人工树叶”的研究可以追溯到十多年前,但由于往往利用铂、钌等贵金属作为催化材料,而且寿命短暂,因此很难进一步进行规模化应用。而诺切拉的研究小组则采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料,不仅催化效率远高于传统材料,而且寿命更长、更稳定,使成本大大降低。

=

       
2015年3月,美国哈佛大学艺术与科学学院、哈佛医学院和威斯生物工程研究所受树叶的启发,创造出一种利用细菌将太阳能转化为液体燃料的“人造树叶”系统,使用催化剂使阳光将水分解为氢气和氧气,设计一种细菌将二氧化碳加氢转化为液体燃料异丙醇。该研究结果发表在美国《国家科学院学报》上。

       
首先,“人造树叶”的储能效率非常高。举个例子,电池的能量密度只能达到约0.1-0.5MJ/kg,超级电容器仅为约0.01MJ/kg,而氢气的能量密度却高达140MJ/kg。通俗点说,同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍,是超级电容器的14000倍。利用氢气化学储能的优势是多么明显啊!其次,在这一过程中,所消耗掉的仅仅是水,因此也被形象地称为“水燃料”。事实上,即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来,因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。“人工树叶”并非一种新的获取能源的方式,其核心是一种高效的储存能源的方法。

       
所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先,“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能,它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次,它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次,它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气,然后用于发电。因此,要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。

       
这一发明的核心在于将电能高效地以氢能的形式储存起来。因此,其电力的来源也将不会仅局限于太阳能电池,也可以是风能、地热能、核能,甚至化石燃料的化学能等。比如说,很多人参观风力发电厂时会奇怪为什么有些风机并不运转,这并不是因为我们有太多的电力了,而是因为电网无法承受这些多出来的电力。据报道,由于无处储存,仅在美国,去年一年就损失了25TWh的风机潜在电力。而这一发明无疑将为解决这个问题提供新的途径。

       
“人造树叶”还有很大的发展空间。也许在不远的将来,“人造树叶”也能兼具光系统Ⅰ的功能:通过合适的化学反应,让“人造树叶”吸收二氧化碳生成有机物。在如今地球已不堪重负的今天,将废弃有害的二氧化碳通过这种类似于光合作用的方式转化成对人类有用的有机物(如糖、醇类等)。

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