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《自我可持续的质子陶瓷电化学电池使用三重导电电极的氢和电力生产》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2020-05-21

  • 质子陶瓷电化学电池(PCEC)是一种新兴的有吸引力的技术，它利用固体氧化物质子导体在中等温度下将能量转换为电能和氢气。为了实现高效的电化学制氢和稳定运行的发电，迫切需要高度坚固耐用的电极，以促进水氧化和氧还原反应，这是电解和燃料电池运行的关键步骤，尤其是在降低温度的情况下。在这项研究中,一个三进行氧化PrNi0.5Co0.5O3-δ钙钛矿开发作为氧电极,提供优越的电化学性能在400 ~ 600°C。更重要的是，在不添加任何氢气的情况下，将电解制得的氢气转化为电能，成功地证明了自持续可逆操作。通过氢渗透实验、显著的水合行为和计算结果证实，该催化剂具有良好的电催化活性。

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  • 《生物光电化学电池可直接从海藻中获取电流或氢气》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-01-02
    • 以色列理工学院-Technion的研究人员开发了一种新方法，可以直接从海藻中获取电流，这种方法既环保又高效。这个想法是博士生Yaniv Shlosberg在海滩游泳时想到的，由来自Grand Technion Energy Program(GTEP)成员的三个Technion学院的研究人员组成的联盟，以及来自以色列海洋和湖沼研究所(IOLR)的一名研究人员共同开发。 研究人员在《生物传感器和生物电子学》杂志上发表了他们直接从大型海藻(石莼，Ulva)中收集电流的新方法。该论文描述了来自Schulich化学学院、生物学院、生物技术和食品工程学院、GTEP和IOLR研究人员的研究结果。 化石燃料的使用导致温室气体和其他污染化合物的排放。人们已经发现，这些与气候变化有关，各种陆地现象证明了这一点，这些现象使气候变化成为全球关注的焦点。使用这些燃料造成的污染从遍布全球的开采和运输就已经开始，这些燃料将被用于发电厂和精炼厂。 这些问题是研究替代能源、清洁能源和可再生能源的动力。其中之一就是利用生物作为微生物燃料电池(MFC)的电流源。某些细菌具有将电子转移到电化学电池从而产生电流的能力。细菌需要不断的喂养，其中一些细菌具有致病性。 类似的技术是生物光电化学电池(BPEC)。对于MFC，电子的来源可以是光合细菌，特别是蓝藻。蓝藻从二氧化碳、水和阳光中制造自己的食物，在大多数情况下，它们是良性的。事实上，蓝藻如螺旋藻，被认为是“超级食物”，并被大量养殖。研究小组成员Adir和Schuster此前已经开发出利用蓝藻获得电流和氢燃料的技术，发表在《自然通信和科学》杂志上。蓝藻确实有一些缺点。蓝藻在黑暗中只能产生较少的电流，因为无法进行光合作用。此外，获得的电流仍然比从太阳能电池技术获得的电流少，因此，尽管BPEC更环保，但其商业吸引力较低。 Noam Adir教授：“在目前的研究中，来自Technion和IOLR的研究人员决定尝试使用一种新的光合来源——巨藻(macroalgae)来解决这个问题。” Gadi Schuster教授：“这项研究是由Noam Adir教授和Schulich化学学院的博士生Yaniv Shlosberg领导的。他们与来自Technion的其他研究人员合作：Tunde Toth博士(Schulich化学学院)、Gadi Schuster教授、David Meiri博士、Nimrod Krupnik和Benjamin Eichenbaum博士(生物学院)、Omer Yehezkeli博士和Matan Meirovich博士(生物与食品工程学院)以及Alvaro Israel博士(IOLR)。” 以色列博士Alvaro：“许多不同种类的海藻自然生长在以色列的地中海海岸，特别是石莼(Ulva，也称为海莴苣)，它在IOLR应用于研究目的而大量生长。” 博士生Yaniv Shlosberg：“在开发出连接石莼和BPEC的新方法后，获得的电流比来自蓝藻的电流大了一千倍——几乎与从标准太阳能电池(PV)获得的电流水平相当。Adir教授指出，这些增加的电流是由于海藻光合作用的高速率，以及使用天然海水中的海藻作为BPEC电解质——促进了BPEC中电子转移的能力。此外，这种海藻在黑暗中提供的电流，大约是在阳光中获得的电流的50%。暗电流的来自呼吸作用——光合作用过程中产生的糖被用作营养的内部来源。以类似于蓝藻BOEC的方式，不需要额外的化学品来获得电流。石莼产生从细胞分泌的介导电子转移分子，并将电子转移到BPEC电极。” “这张照片显示的是Haifa以色列海洋与湖沼研究所(IOLR)的一个石莼(Ulva)生长大桶。水池靠近海滩，新鲜海水源源不断地流过系统。在缸内，我们引入了电化学系统。当Ulva在容器中移动时，它们与电极结合，产生电流，由外部计算机操作的恒电位器测量。” 以化石燃料为基础的能源生产技术被称为“正碳”。这意味着在燃料燃烧过程中，碳会被释放到大气中。太阳能电池技术被称为“碳中性”，即不向大气中释放碳。然而，太阳能电池的生产和运输过程仍会释放出大量的碳排。这里介绍的新技术则是“负碳”。白天，海藻从大气中吸收碳，同时生长并释放出氧气。在白天的生长过程中，没有碳被释放出来。在夜间，海藻通过呼吸作用释放正常量的碳。此外，海藻，尤其是石莼，能够被用于多种行业：食品(石莼也被认为是一种超级食品)、化妆品和制药。 第一个想到利用海藻的研究生Yaniv Shlosberg表示：“科学想法从何而来，可谓是个奇迹。著名哲学家阿基米德在浴缸里想出了一个绝妙的主意，于是就产生了'阿基米德定律'。有一天我去海滩的时候有了这个想法。当时我正在研究蓝藻BPEC，我注意到岩石上的海藻看起来很像电线。我对自己说，既然它们也能进行光合作用，也许我们可以用它们来产生电流。从这个想法延伸开去，所有的Technion和IOLR研究人员的合作，造就了我们最近的论文。我相信我们的想法可以导致清洁能源生产的真正革命。” 这幅图描绘了从海藻中收集电流的过程。海藻释放出已知的分子，将电子传输到不锈钢电极(阳极)。电子转移到第二电极(铂阴极)，就可以将海水电解质溶液中的质子还原为氢气。电流可以直接使用，或者生产出氢气用作未来的清洁燃料。在黑暗中，海藻产生的电流约为在光线中获得电流的50%，因为在没有光合作用过程的情况下，产生的电子更少。 Technion/IOLR的研究人员建造了一个原型设备，可以直接在Ulva生长缸中收集电流。Adir教授补充道：“通过展示我们的原型设备，我们证明了可以从海藻中收获大量的电流。我们相信，该技术可以进一步改进，引领未来的绿色能源技术。”
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  • 《科学家将核废料转化为可持续使用1000年的钻石电池》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-04-26
    • 核能被认为是一种清洁能源，因为它的二氧化碳排放量为零;然而，与此同时，随着世界各地越来越多的反应堆的建成，它产生了大量的危险的放射性废物。专家们为这个问题提出了不同的解决方案，以便更好地照顾环境和人们的健康。由于没有足够的安全储存空间来处理核废料，这些想法的焦点是材料的再利用。 放射性钻石电池在2016年首次被开发出来并立即受到好评，因为它们承诺提供一种新的、具有成本效益的核废料回收方式。在这种情况下，不可避免地要斟酌它们是否是这些有毒、致命残留物的最终解决方案。 什么是放射性钻石电池? 放射性钻石电池最初是由布里斯托尔大学卡博特环境研究所的一个物理学家和化学家团队开发的。这项发明是作为一种β辐射电转换设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变提供动力。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射，其中涉及大量被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，可以通过半导体转化为电能。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。 一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性材料薄层组成。当核材料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，产生电流。然而，放射源离半导体越远，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是随机向各个方向发射的，只有少数粒子会击中半导体，而其中只有少数粒子会被转化为电能。这意味着核电池的效率比其他类型的电池低得多。这就是聚晶金刚石(PCD)的作用。 放射性钻石电池是使用一种叫做化学气相沉积的工艺制造的，这种工艺被广泛用于人造钻石的制造。它使用氢气和甲烷的混合等离子体，在非常高的温度下生长金刚石薄膜。研究人员通过使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以生长放射性钻石，这种放射性同位素在经过辐照的反应堆石墨块上发现。 钻石是人类所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作为一个放射源，也可以作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需要充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它提供燃料，使它能够长期自我充电。然而，布里斯托尔的科研团队警告说，他们的放射性钻石电池不适合用于笔记本电脑或智能手机，因为它们只含有1克碳-14，这意味着它们提供的功率非常低--只有几微瓦，低于典型的AA电池。因此，到目前为止，它们的应用仅限于那些必须长时间无人看管的小型设备，如传感器和心脏起搏器。 核电池的起源可以追溯到1913年，当时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射可以产生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现非常感兴趣，因为它有可能为长期任务的航天器提供动力。RCA公司也研究了核电池在无线电接收机和助听器中的应用。 但为了发展和维持这项发明，还需要其他技术。在这方面，合成钻石的使用被认为是革命性的，因为它为放射性电池提供了安全性和导电性。随着纳米技术的加入，一家美国公司打造了一个高功率的纳米钻石电池。 NDB公司总部位于加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，目标是创造一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家初创公司在2016年推出了其版本的基于钻石的电池，并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试图将放射性钻石电池商业化的公司之一。NDB的纳米钻石电池被描述为Alpha、Beta和中子辐射电池，根据他们官网的介绍，有如下特点： 持久性。该公司计算出这些电池可以持续28000年，这意味着它们可以为长期任务中的空间飞行器、空间站和卫星提供可靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永远不需要停下来充电。 安全。钻石不仅是最坚硬的物质之一，也是世界上最有导热性的材料之一，这有助于保护电池中的放射性同位素所产生的热量，使其迅速变成电流。 市场友好性。其中的PCD薄膜层使电池可以允许不同的形状和形式。这就是为什么纳米钻石电池可以有多种用途，进入不同的市场，从上述的空间应用到消费电子。不过，消费版寿命不会超过十年。 纳米钻石电池计划在2023年进入市场。 Arkenlight是将布里斯托尔的放射性钻石电池商业化的英国公司，计划在2023年下半年向市场发布他们的第一个产品。 放射性钻石电池的未来 现代电子设备的便携性，电动汽车的日益普及，以及21世纪将人类带入火星的长期太空任务的竞赛，在过去几年中引发了人们对电池技术研究的日益关注。 一些类型的电池更适合于某些应用，而对另一些应用则不那么有用。但我们可以说，我们熟悉的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池取代。 传统电池的持续时间较短，但它们的制造成本也更低。然而，与此同时，它们的寿命并不长(它们的寿命约为5年)，这也是一个问题，因为它们也会产生大量的电子垃圾，不容易回收。 放射性钻石电池更方便，因为它们的寿命比传统电池长很多。如果它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么我们最终可能会得到比智能手机寿命长得多的电池。 然而，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转换技术不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14betab电池堆叠成电池的设计。为了提供高功率的放电，每个电池可以伴随着一个小型的超级电容器，这可以提供一个优秀的快速放电能力。 然而，这种放射性材料的寿命也超过了5000年。如果辐射以气态形式从设备中泄漏出来，可能会成为一个问题。这就是钻石出现的原因。在钻石的形成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。 英国原子能管理局(UKAEA)计算，100磅(约45公斤)的碳-14足以拿来制造数百万个基于钻石的长寿命电池。这些电池还可以降低核废料的储存成本。 布里斯托尔大学研究员汤姆-斯科特教授告诉Nuclear Energy Insider说："通过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩余的废物产品的放射性降低，因此更容易管理和处置。处置石墨废物的成本估计为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元)，低级废物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。" 所有这些特点正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一，我们可以拭目以待，看看制造商是否能找到处理生产成本和低能量输出的方法，并将他们的钻石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。
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