環(huán)球科普：變革性的能源技術(shù)

圖片來源：Pixabay / CC0公共領(lǐng)域
據(jù)相關(guān)估計(jì)，每年到達(dá)地球表面的太陽能總量超過了我們利用不可再生資源所產(chǎn)生的能源總和。將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的必要技術(shù)迅速發(fā)展，但儲(chǔ)存和分配太陽能的效率低下仍然是一個(gè)重大問題，導(dǎo)致太陽能的大規(guī)模應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。然而,一項(xiàng)來自弗吉尼亞大學(xué)（UVA）、加州理工學(xué)院藝術(shù)科學(xué)研究生院、美國能源部的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室以及布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員取得的重大突破性研究，可以消除這一過程中的一個(gè)關(guān)鍵障礙，該發(fā)現(xiàn)代表朝著清潔能源的未來邁出的一大步。
使用太陽能的方法之一是利用太陽能把水分子電解成氧氣和氫氣。這個(gè)過程產(chǎn)生的氫氣可以作為燃料儲(chǔ)存起來，從而實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)運(yùn)，并在需要的時(shí)候用來發(fā)電。為了將水分子分解，催化劑是必要的，但目前在這個(gè)過程（也稱為析氧反應(yīng)）中使用的催化材料，其效率還不足以支撐實(shí)用。
然而，利用弗吉尼亞大學(xué)開發(fā)的一種創(chuàng)新化學(xué)策略，由化學(xué)教授Sen Zhang和T. Brent Gunnoe領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)用鈷和鈦元素生產(chǎn)出了一種新型催化劑。鈷鈦元素的優(yōu)點(diǎn)是，它們在自然界中比其他常用的催化劑貴金屬材料(如銥或釕)要豐富得多。
“新工藝涉及在氧化鈦納米晶體表面的原子層面上創(chuàng)建活性催化位點(diǎn)，該技術(shù)可生產(chǎn)出一種耐用的催化材料，并且更易觸發(fā)析氧反應(yīng)。”Sen Zhang說，“該制造高效析氧反應(yīng)催化劑的新方法以及增強(qiáng)對它們的基本理解是可能過渡到可再生太陽能大規(guī)模使用的關(guān)鍵。這項(xiàng)工作是如何在原子尺度上調(diào)整納米材料來優(yōu)化清潔能源技術(shù)催化劑效率的一個(gè)完美例子。”
Gunnoe表示，“這項(xiàng)創(chuàng)新以Sen Zhang實(shí)驗(yàn)室的成果為中心，代表了一種完善和理解催化材料的新方法，其成果綜合了先進(jìn)材料合成、原子水平表征和量子力學(xué)理論。”


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“幾年前，弗吉尼亞大學(xué)加入了MAXNET能源聯(lián)盟，該聯(lián)盟由八個(gè)馬克斯普朗克研究所(德國)、弗吉尼亞大學(xué)和卡迪夫大學(xué)(英國)組成，國際合作的努力聚焦于電催化水氧化研究。MAXNET能源是目前我的團(tuán)隊(duì)和Zhang實(shí)驗(yàn)室共同努力的源頭，也將持續(xù)是一項(xiàng)卓有成效的合作。”Gunnoe說。
在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室及其先進(jìn)的同步加速器x光吸收光譜用戶設(shè)施（使用輻射在原子層面上檢驗(yàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)）的幫助下,研究小組發(fā)現(xiàn),該催化劑具有良好的表面結(jié)構(gòu),能夠讓他們清楚地觀察到催化劑在析氧反應(yīng)中的演化,并準(zhǔn)確地評價(jià)其性能。
“這項(xiàng)工作使用了來自先進(jìn)光子源與先進(jìn)光源的x射線光束，包括部分‘快速訪問’計(jì)劃，用于快速反饋回路，以探索緊急或緊迫的科學(xué)思想，”論文的合著者、阿貢x射線物理學(xué)家Hua Zhou表示?！拔覀兎浅Ｅd奮，這兩個(gè)國家的科學(xué)用戶設(shè)備可以做出實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，進(jìn)行如此干凈利落的水分離工作，這將是清潔能源技術(shù)的一項(xiàng)巨大飛躍?！?br> 先進(jìn)光子源和先進(jìn)光源分別是位于美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的美國能源部辦公室下的科學(xué)用戶設(shè)施。
此外，加州理工學(xué)院的研究人員使用新開發(fā)的量子力學(xué)方法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測催化劑產(chǎn)生氧氣的速率，這為研究小組提供了反應(yīng)化學(xué)機(jī)理的詳細(xì)理解。


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“五年多來，我們一直在開發(fā)新的量子力學(xué)技術(shù)來理解析氧反應(yīng)機(jī)理，但在之前的所有研究中，我們沒有確定確切的催化劑結(jié)構(gòu)?！癦hang的催化劑具有明確定義的原子結(jié)構(gòu)，我們的理論輸出基本上與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果完全一致，”加州理工學(xué)院的化學(xué)、材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授William a . Goddard III說，他也是該項(xiàng)目的主要研究者之一。“這為我們的新理論方法提供了第一個(gè)強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們現(xiàn)在可以用它來預(yù)測更好的可被合成和測試的催化劑。這是全球清潔能源發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。”
弗吉尼亞大學(xué)化學(xué)系主任Jill Venton說:“這項(xiàng)工作是弗吉尼亞大學(xué)和其他在清潔能源領(lǐng)域研究人員團(tuán)隊(duì)努力的一個(gè)范例，也是這些跨學(xué)科合作中一項(xiàng)令人振奮的發(fā)現(xiàn)?！?br> 撰文：Russ Bahorsky
翻譯：曾欣欣
翻譯：董子晨曦
引進(jìn)來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2020-12-breakthrough-energy-technology.html



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