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，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，但儲存和分配太陽能的效率低下仍然是一個重大問題，導(dǎo)致太陽能的大規(guī)模應(yīng)用難以實現(xiàn)。然而,一項來自弗吉尼亞大學(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驗室、倫斯伯克利國家實驗室以及布魯克海文國家實驗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。這個過程產(chǎn)生的氫氣可以作為燃料儲存起來，從而實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)運(yùn)，并在需要的時候用來發(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，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)?！盨en 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)催化劑效率的一個完美例子?！?br> Gunnoe表示，“這項創(chuàng)新以Sen Zhang實驗室的成果為中心，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?！?br>

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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)隊和Zhang實驗室共同努力的源頭，也將持續(xù)是一項卓有成效的合作?！盙unnoe說。
在阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室及其先進(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)確地評價其性能。
“這項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，這兩個國家的科學(xué)用戶設(shè)備可以做出實質(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驗室和勞倫斯伯克利國家實驗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驗觀測結(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，他也是該項目的主要研究者之一?！斑@為我們的新理論方法提供了第一個強(qiáng)有力的實驗驗證，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)展的一個重要里程碑。”
弗吉尼亞大學(xué)化學(xué)系主任Jill Venton說:“這項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)隊努力的一個范例，也是這些跨學(xué)科合作中一項令人振奮的發(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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