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人工树叶:捕捉阳光创造燃料,只为美好生活

时间:2017-12-16 00:29 浏览:

注:人工光合作用联合中心(JCAP)近日研制出一种太阳能燃料发电系统,其工作原理就像树叶一样,利用阳光、水和二氧化碳按需生产化学燃料,我们称之为“人工树叶”。众所周知,生产和储存如太阳能或风能等类似的可再生能源,是向清洁能源经济转型的关键所在。当加州理工学院与其合作机构成立了人工光合作用联合中心时,美国能源部(DOE)能源创新中心就确立了一个主要目标: 模仿自然界植物的光合作用过程和储能形式,仅用阳光、水和二氧化碳按需生产化学燃料。在过去的五年里,JCAP研究人员在这一领域取得了重大的进步。终于,激动人心的时刻到了,他们将展示第一个高效安全地利用太阳能分解水产生氢气燃料的完整过程。“在约定的时间和预算里,我们得到的成果远大于我们开始所期许的。”加州理工学院的JCAP科学总监说到。在最近的一期在线出版的《能源和环境科学》杂志上有一个关于人工树叶(或称太阳能燃料发电系统)的报导。相关工作由实验室的刘易斯教授和哈利阿特沃特等研究人员完成。 “这项成果证明了整个JCAP团队的实力”,阿特沃特说。“毫无疑问的,太阳能燃料发电机的研发成功是需要大规模的高端设备和不懈的努力。”人工树叶系统包括三个主要组件:一个电池膜、两个电极,其中包含一个光电阳极和一个光电阴极。光电阳极使用阳光来氧化水分子,产生质子、电子以及氧气。光电阴极重组质子和电子,形成氢气。JCAP设计的一个关键部分是能使氧气和氢气气体分离的塑料薄膜。我们都知道氢气、氧气混合易发生爆炸(两者在一起就很容易Duang~的一声就…),所以电池膜的作用就非常重要,它可以使氢燃料在压力下安全进入收集管道,从而被单独收集起来。我们将能够有效地吸收光线的半导体硅或砷化镓等用于太阳能电池板的制作。然而,当暴露于水和空气中时,这些材料表面容易氧化或生锈,所以不能直接用来生成燃料。不过刘易斯教授实验室的研究表明:在电极上添加几十纳米厚的一层二氧化钛(TiO2一种经常用在白漆、牙膏、防晒霜中的物质)可以防止它们的腐蚀,并允许光和电子通过。他们用这种方法来提高砷化物基光电极的稳定性。人工树叶的另一个关键是使用廉价而高活性的催化剂。光电阳极需要必要的催化水分解反应的催化剂。虽然贵金属铂可以作为有效的催化剂,但在研究工作中他们发现可以创建一个更便宜高效的的催化剂:在二氧化钛表面添加两纳米厚的镍层。这一催化剂是使水分子高效的分解为氧和质子、电子的关键。在光电阴极还包含一个高度活跃廉价的镍钼催化剂,它也是构成人工树叶的关键。当然电池膜也是个重要组件,它是保证人工树叶系统的效率和安全性的特殊塑料薄膜,作用是使气体(氢气和氧气)分离防止发生爆炸;同时仍然允许离子在电路单元中流动。所有的组件在同等条件下都能稳定工作,共同组成一个高性能、完全集成的系统。据报道,面积约一平方厘米的人工树叶,在阳光下可将10%的能量转换成化学燃料并储存下来,并能连续运作40小时以上。“这个新的人工树叶系统融合了5到10项甚至更多的技术因素,才达到稳定高效的效果。”刘易斯说。“我们的工作表明,它确实可以安全经济地将阳光转化为燃料”,刘易斯说,“当然,我们仍然有很多工作要做:比如延长系统的生命周期,进一步降低制造成本,这也正是我们现在研究和努力的方向。”译者:池凤瑶  校对:尹昌  审核:李卓原文链接  加入我们  转载申请