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中国科学家“模拟植物”乐成制备清洁燃料!或可大规模生产

更新时间  2022-10-27 01:07 阅读
本文摘要:你知道地球上最大规模的能量和物质转换历程是什么吗?如果一时想不起来,那换个问题,使用阳光和空气中的二氧化碳,合成有机化合物并释放出氧气的历程是什么?是的,这就是植物的光互助用,它是地球上生命体赖以生存的基础。如今,英国剑桥大学化学系博士后王谦及其所在团队的新研究,向着实现人工光互助用迈进了一步。 他们开发出一种独立的设备,无需任何其他添加物或电力,就可以将太阳光、二氧化碳和水转化为碳中性燃料——一种没有温室气体净排放量或碳足迹的能源燃料或能源系统。

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你知道地球上最大规模的能量和物质转换历程是什么吗?如果一时想不起来,那换个问题,使用阳光和空气中的二氧化碳,合成有机化合物并释放出氧气的历程是什么?是的,这就是植物的光互助用,它是地球上生命体赖以生存的基础。如今,英国剑桥大学化学系博士后王谦及其所在团队的新研究,向着实现人工光互助用迈进了一步。

他们开发出一种独立的设备,无需任何其他添加物或电力,就可以将太阳光、二氧化碳和水转化为碳中性燃料——一种没有温室气体净排放量或碳足迹的能源燃料或能源系统。“我们的事情主要是使用温室气体二氧化碳,将太阳能转化为可储存的化学清洁能源。” 王谦告诉 DeepTech。这项新技术可用于生产易于储存的液体清洁燃料,代表了一种将二氧化碳转化为清洁燃料的新方法,并显示出大规模生产燃料的潜力;只管测试单元的巨细为 20 平方厘米,但该无线设备的体积可以被设计得更大,用作类似于太阳能农场的能源 “农场”,使用太阳光和水来生产清洁燃料。

相关研究结果于 8 月 24 日,以论文的形式揭晓在《自然 - 能源》(Nature Energy)杂志上。(泉源:Nature Energy)王谦是论文的第一作者,她告诉 DeepTech,英国剑桥大学化学系教授欧文 · 莱斯纳(Erwin Reisner)是该项目的主要卖力人,项目的想法是王谦和莱斯纳配合提出的,王谦卖力器件的制备、分析和活性表征,同组的朱利安 · 沃南(Julien Warnan)和蒂亚戈 · 罗德里格斯 - 希门尼斯(Santiago Rodriguez-Jimenez)博士则卖力分子催化剂的合成和分析,东京大学堂免一成(Kazunari Domen)教授也到场了这一研究的讨论,并提供了许多名贵的想法和意见。“模拟植物” 转化太阳能燃料,是一种通过化学反映或核反映释放自己内能以供他人使用的物质,好比我们熟知的石油、煤炭,以及经由石油炼化发生的汽油、柴油和煤油等,它们都与人类的事情和生活息息相关。

可是,化石燃料在释放内能、转化为热能的同时,也会造成水资源污染、温室效应等诸多情况问题,而且作为不行再生资源,化石燃料面临着资源短缺、过分开采等问题。凭据现在已探明储量和开采流量预测,化石燃料的可开采年限预计在 150 年内。当前,世界的科学家们正致力于开发可再生的清洁能源,如何寻找一种环保、高效、可连续生长的燃料制备技术,一直是近年来的研究热点。太阳能因为漫衍广以及取之不尽等优点,其应用受到科学家们的广泛关注。

图 | 王谦,英国剑桥大学化学系博士后除了使用太阳能发电,科学家也希望使用太阳能将二氧化碳转化为燃料,这可以有效淘汰碳排放,并向低碳能源过渡。然而,同时生产清洁燃料而又不发生副产物是极具挑战性的。王谦出生于江西,硕士结业于天津大学,之后去日本东京大学攻读博士学位,在东京大学作为人工光合成项目的研究员事情四年,于 2018 年以玛丽 · 居里学者的身份进入剑桥大学学习和事情,研究偏向集中在人工光合成,将太阳能转化为清洁可再生新能源。

“要实现具有高度选择性的人工光互助用是很难题的,因为你要尽可能多地把太阳光转化为燃料,而不是留下大量的废弃物。” 王谦说。

莱斯纳也表现,气态燃料的存储和副产物的分散可能也会很庞大,他们希望既可以实现液态燃料的清洁生产,也可以将其轻松地存储和运输。与传统的电极或者悬浮液体系差别的是,在这项研究中,太阳能是唯一的输入能源,不需要电能或者牺牲剂的资助,因此成本比力低,而且与传统体系相比,他们在这项研究中研发的设备已被证实具有更大的大面积化生产和使用的潜能。

图 | 浅易设备在这一研究中,被称为光催化板(photosheet)的设备模拟植物将太阳光转化为能量的能力,是朝着实现人工光互助用迈出的重要一步。它基于先进的光催化板,可将太阳光、二氧化碳和水转化为氧气和甲酸,甲酸是一种可储存的燃料,可以直接使用,也可以转化为氢气,而且甲酸也可以在溶液中积累,并通过化学作用转化为差别类型的燃料。一旦效率提升,或可大规模商业化近年来,虽然人工光合成研究取得了突破性生长,但与化石燃料相比,其所生产的再生能源的成本依然不具优势,如果要实现使用太阳能制备清洁能源的低成本生产,现在所有实验室研究体系的效率都需要再提升。

在此次研究中,现在光催化板将太阳转化为化学能的效率为 0.1% 左右。当前,王谦及其团队的事情重点正是优化该体系,以取得更高的效率。

“我们的目的是将太阳能到化学能的转化效率提高到 5%-10%,现在正通过优化质料和体系向这个偏向努力。” 在未来的事情中,王谦表现,他们将致力于使用该体系将太阳能和二氧化碳转化为其他燃料,好比甲醇。早在 2019 年,莱斯纳团队的研究人员就开发了一种基于 “人造叶” 设计的太阳能反映器,该反映器也可以使用太阳光、二氧化碳和水生产合成气(一氧化碳和氢的混淆物,尤指由低级煤生产的可燃性气体,主要用于化学和生物加工以及甲醇的生产)。其时 “人造叶” 使用了太阳能电池中的身分,这种新设备则完全不需要,只需依靠嵌入到薄片中的光催化剂来生产所谓的光催化剂薄片,这种薄片由半导体粉末组成,制备利便且十分经济。

对此,王谦表现,“险些没有副产物,我们对它在选择性方面的精彩体现感应惊讶。有时候情况不如预期那样好,但这是一种稀有的情况,实际上效果更好。”虽然这种技术会比 “人造叶” 更容易扩大规模,但在思量任何商业化之前,仍需提高其效率。

现在他们正在试验种种差别的催化剂,以提高稳定性和效率。王谦表现,相对来说,这项研究结果是现在太阳能 - 化学能转化体系中更容易大面积推广的技术。

如果体系的效率和稳定性能进一步提高,将具有庞大的商业化前景。只管当前这一技术还处于生长阶段,但为生长新型可再生能源和降低大气中的二氧化碳浓度等情况问题提供了新的手段和偏向。“我希望留在学术界继续做研究,现在正在与海内高校接触。

” 王谦说。


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