大香网伊人久久综合网2021,1024你懂的在线播放欧日韩,亚洲综合偷自成人网第页色,免费a视频

創(chuàng)新制氫,新型光催化材料來了!

2022-01-13 16:22  來源:科技日?qǐng)?bào)  瀏覽:  

在太陽光或一縷LED紫外光照拂下,玻璃燒杯中加入一點(diǎn)點(diǎn)白色粉末,無須加熱也無須其他能源,燒杯里的水便可源源不絕產(chǎn)生氫氣,讓人稱奇。

經(jīng)過數(shù)百小時(shí)的實(shí)驗(yàn),這種白色的粉末并不衰減。在云南大學(xué)材料與能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)室,你能見到天下竟然有等“美事”。

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下,潔凈的氫能成為未來能源的重要方向,高效、低成本,特別是光解水制氫是人們夢(mèng)寐以求的發(fā)展目標(biāo)。2022年1月10日,國(guó)際著名期刊《自然·通訊》發(fā)表了云南大學(xué)柳清菊教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)黃榮教授團(tuán)隊(duì)合作的一項(xiàng)重要研究成果——以單原子銅錨定二氧化鈦,成功制備新型光催化劑,分解水制氫量子效率高達(dá)56%,被審稿人稱為“世界紀(jì)錄”。

這意味著“水變氫”有了一條可實(shí)用化的新的路徑。

單原子Cu-TiO2合成示意圖 突破來源:云南大學(xué)

新催化材料,創(chuàng)新制氫提供了新方法

氫能是一種清潔無污染的可再生能源,燃燒值很高,可達(dá)到每千克140 兆焦耳,其來源豐富、燃燒產(chǎn)物無二次污染等優(yōu)點(diǎn),有望代替石油和天然氣,因而受到世界范圍的廣泛關(guān)注。若能得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用,將為“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)作出實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)。

我們知道,一個(gè)水分子中,有兩個(gè)氫原子,一個(gè)氧原子。其中的氫原子,便是氫氣的重要來源。

“目前,常見制備氫的主要方法有化石能源制氫和電解水制氫,但兩種方法都需消耗傳統(tǒng)能源。”云南大學(xué)柳清菊教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹,化石燃料制氫,二氧化碳排放大,每生產(chǎn)1千克氫氣,將產(chǎn)生10千克左右的二氧化碳;而電解水制氫也存在能耗和成本問題。“在環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重的當(dāng)今,開發(fā)清潔、可持續(xù)、低成本的制氫技術(shù),推進(jìn)氫能的發(fā)展顯得尤為迫切和重要。”柳清菊說,采用光催化技術(shù),利用太陽能驅(qū)動(dòng)水分解制氫是一種極具發(fā)展前途的新方法。

自1972年,前人發(fā)現(xiàn)二氧化鈦半導(dǎo)體具有光催化性能以來,光解水制氫一直受到學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注與重視。在能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射下,光催化材料價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶,形成光生“電子-空穴”對(duì),空穴和電子遷移到材料表面,與表面吸附的水分子發(fā)生氧化還原反應(yīng),也就是電子與水發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,空穴氧化水產(chǎn)生氧氣。

然而,由于電子帶負(fù)電,空穴帶正電,使得光催化材料中光照所產(chǎn)生的“電子-空穴”很容易復(fù)合,導(dǎo)致產(chǎn)氫量子效率低下,嚴(yán)重阻礙了光解水制氫的發(fā)展。因此,如何阻止“電子-空穴”的復(fù)合,提高光催化制氫效率,成為目前國(guó)際上光催化研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一,也是制約光催化制氫技術(shù)實(shí)用化的瓶頸難題。

為此,國(guó)際上材料、化學(xué)、能源等領(lǐng)域的大批科研人員被吸引從事這種新方法和新技術(shù)的研發(fā),其中,光催化材料是核心。而新材料的活性、穩(wěn)定性和成本是決定光催化技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

為了解決一個(gè)個(gè)瓶頸問題,研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑。為光催化制氫技術(shù)插上輕捷有力的“翅膀”,也成為柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)持續(xù)十余年的目標(biāo)。

創(chuàng)新思路,新型光催化材料設(shè)計(jì)制備突破瓶頸

金屬單原子催化劑,是近年來迅速發(fā)展起來的新型催化劑。

相比傳統(tǒng)金屬催化劑,金屬單原子催化劑中的原子以單個(gè)的形式負(fù)載在載體上,在催化反應(yīng)中可充分參與反應(yīng),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)活性中心的最大化,利用效率可接近100%,在理論上可以同時(shí)提高催化活性并降低成本。然而由于單原子具有極高的表面能,在合成和催化反應(yīng)過程中容易團(tuán)聚、穩(wěn)定性差、壽命短且制備成本高,阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

“起光催化作用的二氧化鈦,是一種鈦和氧規(guī)則排列的晶體,我們通過獨(dú)特的合成工藝,在其中生成大量的鈦空位。”柳清菊向記者解釋,有了這些鈦空位,就可以請(qǐng)銅離子來幫忙“補(bǔ)位”。

“研究的核心,正是通過對(duì)鈦基有機(jī)框架材料MIL-125中鈦空位的設(shè)計(jì)和可控合成,研制出具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料,以此為載體錨定過渡金屬銅單原子,使銅與二氧化鈦形成了牢固的‘銅-氧-鈦’鍵。”柳清菊介紹,在光催化制氫反應(yīng)過程中,一價(jià)陽離子銅和二價(jià)陽離子銅的可逆變化,大大促進(jìn)了光生“電子-空穴”的分離和傳輸,大幅提高了光生電子的利用率,使產(chǎn)氫量子效率獲得突破,達(dá)到56%。這項(xiàng)突破獲得了歐洲科學(xué)院院士、倫敦大學(xué)學(xué)院光催化和材料化學(xué)終身教授唐軍旺團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證。

柳清菊教授向記者透露,論文發(fā)表過程中還有個(gè)小插曲,“投稿之后送審,其中有評(píng)審專家覺得我們量子效率有那么高,太不可思議。然后我們就提供原始檢測(cè)數(shù)據(jù),以及產(chǎn)氫的實(shí)景視頻,打消了評(píng)審人的疑惑。”

成本大幅下降,大規(guī)模光催化制氫不是夢(mèng)

氫能是未來有望代替石油和天然氣的清潔能源,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè),氫能將在氫燃料電池汽車等交通領(lǐng)域的貢獻(xiàn)占28.6%、化工原料占24.7%、工業(yè)能源占20.8%、建筑14.3%、發(fā)電占11.7%。

“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略,也是推動(dòng)氫能發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。隨著技術(shù)突破和規(guī)?;瘧?yīng)用,氫能全產(chǎn)業(yè)鏈將迎來發(fā)展爆發(fā)期,特別是隨著氫燃料電池汽車的推廣普及,氫能消耗將以驚人的速度增加。預(yù)計(jì)到2030年,在政府政策支持下,我國(guó)將成為世界最大的氫能與燃料電池市場(chǎng)。

而光催化分解水制氫,利用的是光和水,采用的二氧化鈦基光催化具有材料物理化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),且生物相容性好,光催化分解水反應(yīng)所得到的氫氣是被公認(rèn)的高效、清潔、可持續(xù)的再生能源,因此光催化分解水制氫無疑是環(huán)境友好的能量轉(zhuǎn)化過程。

新研制成果的二氧化鈦基光催化材料,制備方法簡(jiǎn)單、成本低,與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢(shì)明顯。通常含貴金屬的催化劑,催化活性高,但相應(yīng)的成本也極高。“新材料中,我們用的是‘賤金屬’銅,它儲(chǔ)量大、價(jià)格低、易獲得,這是成本降低的第一個(gè)方面。” 柳清菊介紹,此外,原有的催化材料中單個(gè)金屬原子活性很大,很容易形成團(tuán)簇,使得活性降低。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將銅原子牢固地錨定在容易獲得的底物鈦空位上,不容易團(tuán)聚,創(chuàng)新性地解決了這個(gè)問題,穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng),在常溫常濕條件下,樣品放置380天之久,仍然具有與新制備樣品相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)氫性能,進(jìn)一步降低了產(chǎn)氫成本;再者,新型光催化材料制備工藝簡(jiǎn)單,無需昂貴的設(shè)備,使光催化制氫更加“親民”。

近年來,柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究,包括材料設(shè)計(jì)、合成工藝、機(jī)理研究、性能優(yōu)化等內(nèi)容,已獲得穩(wěn)定的高性能光解水制氫光催化材料的實(shí)驗(yàn)室制備工藝,正準(zhǔn)備開展放大工藝研發(fā),為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的光催化材料成本高、量子效率低,國(guó)內(nèi)光催化產(chǎn)氫市場(chǎng)尚未成熟,產(chǎn)業(yè)鏈銜接及相關(guān)政策的完善,還有一段路要走,但已是曙光初露。

對(duì)柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)而言, 56%的產(chǎn)氫量子效率也不是終點(diǎn)。“我們還在繼續(xù)努力,使它更進(jìn)一步的提高,如果能夠提高到70%以上,對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用的意義將是不言而喻的。”柳清菊說,相信找準(zhǔn)了方向,效率再提升將不是夢(mèng)。隨著光解水效率進(jìn)一步提高和成本進(jìn)一步降低,氫能時(shí)代將加速到來,人類也將還地球以綠水青山。

免責(zé)聲明:本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自合作媒體、機(jī)構(gòu)或其他網(wǎng)站的信息,登載此文出于傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。本網(wǎng)所有信息僅供參考,不做交易和服務(wù)的根據(jù)。本網(wǎng)內(nèi)容如有侵權(quán)或其它問題請(qǐng)及時(shí)告之,本網(wǎng)將及時(shí)修改或刪除。凡以任何方式登錄本網(wǎng)站或直接、間接使用本網(wǎng)站資料者,視為自愿接受本網(wǎng)站聲明的約束。
相關(guān)推薦
江蘇發(fā)布新政支持科技創(chuàng)新!氫能重大科技示范項(xiàng)目最高將獲3000萬

江蘇發(fā)布新政支持科技創(chuàng)新!氫能重大科技示范項(xiàng)目最高將獲3000萬

近日,江蘇省科技廳印發(fā)《2022年度省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目指南》及組織申報(bào)項(xiàng)目的通知(以下簡(jiǎn)稱通知)通知針對(duì)氫能項(xiàng)目提供大力支持。2002 可再生能源及氫能技術(shù)裝備 、2012 氫能技術(shù)等被列入重點(diǎn)領(lǐng)域攻關(guān)專題。風(fēng)光氫儲(chǔ)耦合一體化綜合能源系統(tǒng)等項(xiàng)目列入重大科技示范項(xiàng)目。其中重大科技示范項(xiàng)目最高每個(gè)項(xiàng)目省資助經(jīng)費(fèi)不超過3000萬元,項(xiàng)目完成,驗(yàn)收通過后,符合條件的予以滾動(dòng)支持。通知指出:重點(diǎn)領(lǐng)域攻關(guān)專題。本專題重點(diǎn)支...
破解碳中和難題 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)要在碳達(dá)峰后實(shí)現(xiàn)“陰陽逆轉(zhuǎn)”

破解碳中和難題 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)要在碳達(dá)峰后實(shí)現(xiàn)“陰陽逆轉(zhuǎn)”

“我們利用四個(gè)模型對(duì)碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑存在顯著差異。四種路徑對(duì)核能、風(fēng)能和生物能的需求,都已接近全國(guó)總資源的上限,只有太陽能資源充裕。這表明,太陽能將在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用?!?月26日,中科院大氣物理研究所研究員曾寧告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
圍繞“雙碳”目標(biāo),各地奮力爭(zhēng)先

圍繞“雙碳”目標(biāo),各地奮力爭(zhēng)先

雙碳”,我們?cè)诼飞稀H涨瓣懤m(xù)召開的地方“兩會(huì)”中,記者注意到,“雙碳”“藍(lán)碳”等字眼不僅成為今年代表委員討論的熱詞,更是被寫進(jìn)了政府工作報(bào)告,亮點(diǎn)諸多。
中國(guó)能建“30·60”研究院、數(shù)科集團(tuán)揭牌成立

中國(guó)能建“30·60”研究院、數(shù)科集團(tuán)揭牌成立

1月26日,中國(guó)能建“30·60”研究院、中國(guó)能建數(shù)科集團(tuán)在京揭牌正式成立。
江西出臺(tái)“十四五”應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃 建立完善“1+N”政策體系,實(shí)施低碳試點(diǎn)示范

江西出臺(tái)“十四五”應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃 建立完善“1+N”政策體系,實(shí)施低碳試點(diǎn)示范

江西省近日出臺(tái)《江西省“十四五”應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》),分析目前氣候變化的事實(shí),總結(jié)“十三五”時(shí)期工作成效,對(duì)“十四五”時(shí)期江西省應(yīng)對(duì)氣候變化提出新的目標(biāo)要求。

推薦閱讀

熱文

Copyright © 能源界