《研究表明蓝氢对应对温室效应具有潜力》

  • 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:2021-12-28
  • 由英国赫瑞瓦特大学和瑞士威利根的保罗·谢勒研究所(PSI)领导的一个国际小组研究发现,在特定条件下,蓝氢可在能量转换中发挥积极作用。这项研究深入分析了蓝氢对环境的影响,研究结果发表在英国皇家化学学会的《可持续能源与燃料》杂志上。

    蓝氢是在蒸汽转化过程从天然气中生产的,该过程加热将气体分解为氢气和二氧化碳。在这种情况下,二氧化碳不能简单地逃逸到大气中,而是将一部分捕获并永久储存在地下,以减少温室气体效应。这个过程被称为碳捕获和储存(CCS),可改善环境平衡。蓝氢是否真的有利于气候在很大程度上取决于从提取到制氢过程中排放的甲烷量,以及在天然气的蒸汽转化过程中,碳是如何有效地被捕获的。

    注:本文摘自国外相关研究报道,文章内容不代表本网站观点和立场,仅供参考。

  • 原文来源:http://www.nengyuanjie.net/article/52774.html
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    • 美国国家石墨烯研究所(National Graphene Institute)的研究人员发现了一个可能彻底改变能源利用和信息计算的新技术。他们发表在 Nature 杂志上的研究揭示了电场效应如何选择性地加速石墨烯中的耦合电化学过程。 电化学过程在电池、燃料电池和电解槽等可再生能源技术中至关重要。然而,它们的效率往往受到反应缓慢和不必要的副作用的阻碍。传统的方法主要集中在新材料上,但仍然存在巨大的挑战。 由马塞洛-洛萨达-伊达尔戈博士领导的曼彻斯特团队采取了一种新颖的方法。他们成功地解耦了石墨烯电极中电荷和电场之间不可分割的联系,实现了对这种材料中电化学过程前所未有的控制。这一突破挑战了以往的假设,为能源技术开辟了新的途径。 Lozada-Hidalgo 博士认为这一发现具有变革性,他说:"我们成功地打开了一个以前无法进入的参数空间。一种形象化的方法是想象乡间有丘陵和山谷的田野。通常情况下,对于给定的系统和给定的催化剂,电化学过程会以固定的路径穿过这片田野。 这项研究的重点是对氢催化剂和电子设备至关重要的质子相关过程。具体来说,研究小组研究了石墨烯中的两个质子过程: 质子传输: 这一过程对于开发新的氢催化剂和燃料电池膜非常重要。 质子吸附(氢化): 该过程可开关石墨烯的导电性,对晶体管等电子设备非常重要。 传统上,这些过程在石墨烯器件中是耦合的,因此要在不影响其他过程的情况下控制其中一个过程具有挑战性。研究人员设法将这些过程解耦,发现电场效应可以显著加速质子传输,同时独立驱动氢化。这种选择性加速是意料之外的,它提供了一种驱动电化学过程的新方法。 论文第一作者童博士强调了这一研究成果在能源应用领域的广泛意义,他说:"我们证明了电场效应可以分解和加速二维晶体中的电化学过程。这可以与最先进的催化剂相结合,高效地驱动二氧化碳还原等复杂过程,而这些过程仍然是巨大的社会挑战。 共同第一作者傅博士指出了石墨烯在计算领域的潜在应用,他说:"对这些过程的控制使我们的石墨烯器件具有双重功能,既可以作为存储器,也可以作为逻辑门。这为利用质子运行的新型计算网络铺平了道路。这可以实现紧凑、低能耗的模拟计算设备"。 原文链接:Jincheng Tong et al, Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07435-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07435-8
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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-01-02
    • 通过不断努力改善催化剂性能和电化学电池的设计,有望实现可再生的甲醇燃料生产。 英国童话故事《三只小熊》中,一位名为Goldilock的金发姑娘不小心闯进了熊屋。在偷吃过三碗粥后,金发姑娘觉得既不太冷也不太热的粥口感最好。“恰到好处”的选择最优,也被称为“金发姑娘”原则。 在全球温室效应日益加剧的今天,科学家也一直遵循着类似的原则,试图为高效转化二氧化碳(CO2)找到一种“恰到好处”的催化剂。 近日,南方科技大学材料科学与工程系教授梁永晔团队与耶鲁大学化学系副教授王海梁团队合作,首次利用固定在碳纳米管(CNT)管壁上的分子催化剂酞菁钴(CoPc),实现了CO2到甲醇的高效转化,为“金发姑娘”烹饪出了一碗理想的“粥”。 他们在《自然》上发表的研究结果显示,该催化剂甲醇转化的法拉第效率(电极传输一定数量的电荷所能得到的实际生成物与理论生成物的百分比)>40%、甲醇分电流密度>10mA/cm2。相比以往文献报道过的数据,这一结果达到了数量级的提升。 催化中的“金发姑娘”原则 燃烧化石燃料后排放CO2是目前形成温室效应的主要原因,电还原CO2得到甲醇等燃料是实现可持续发展的一种潜在途径。在这一过程中,电催化剂是制约能量转化效率以及经济性的关键。遗憾的是,目前在CO2到甲醇转化中仍缺少性能优异的电催化剂。 记者了解到,CO2被还原的过程中,首先会还原为一氧化碳(CO)。此时,如果催化剂的CO结合能太弱,CO就容易离开催化剂表面,成为主要的反应产物;如果催化剂的CO结合能太强,CO的进一步还原就会变得困难,从而需要更负的电位,此时水分解产生的氢气往往占为主导。 王海梁告诉记者,催化领域也有类似的“金发姑娘”原则,即Sabatier原则。如果催化剂的CO结合能“恰到好处”,使CO保持与催化位点的结合,就能将CO2深度还原为碳氢化合物或醇类。 根据最近对金属—氮4(M-N4)分子结构的计算研究表明,同铁和镍的类似结构相比,CO结合能在Co-N4上“恰到好处”。因此,含有Co-N4结构的CoPc有望进一步实现深度还原过程。 据梁永晔介绍,CoPc分子的4个Co-N配位键结构可以很好地稳定中间的钴,使得它不易从分子中脱离而导致失去活性。早在上世纪80年代,CoPc就被发现可以催化CO2到CO的电还原。 文章第一作者、耶鲁大学化学系博士生吴越申告诉《中国科学报》,在这个课题立项之前,他曾经在一个包含CoPc的催化剂体系的产物里偶然观测到甲醇,只是当时的产量和催化选择性都非常小,让他误以为是实验误差或是污染。直到课题立项时他才恍然大悟,然后调出之前的数据和王海梁讨论,开始仔细地设计实验。 “为了验证甲醇作为催化产物(以及其选择性)的真实性和重复性,王老师多次询问我具体的实验条件,并和我讨论了许多可能导致假阳性的因素。”吴越申说,“梁永晔课题组成员江占也在他们的实验室进行了重复。” 碳纳米管解决分子催化剂分散问题 梁永晔告诉《中国科学报》,贵金属催化剂导电性好、催化活性高,并且具有较好的稳定性。不过,这类催化剂一般成本高、储量少,难以大规模使用。 而分子催化剂具有来源广泛、结构明确且易调控的特点。这有利于研究催化性能与结构关系,深入了解反应机理。但是,分子电催化剂本身导电性较差、容易堆积,表现出的催化性能往往不高。 “过去人们一般会通过滴涂或浸涂的方法将分子电催化剂负载到电极上。”梁永晔说,“由于分子一般导电性差且容易聚集,导致测得的催化性能往往较差,并且会影响分子本征催化性能的表露。采用与碳材料混合的方式虽然可以提高导电性,但是分子容易聚集的问题并没有得到很好的解决。” 此次课题组则采用全新的方法。梁永晔告诉记者,团队前期的研究工作发现CoPc与碳纳米管在超声与搅拌下可以很好地分散在有机溶剂中。由于两者都具有较大的共轭结构可以很好地结合,最后通过溶剂洗涤将没有固定在碳纳米管上的分子去除,得到CoPc分子分散在碳纳米管管壁上的复合物。 “这种结构有效克服了CoPc分子聚集以及不导电的问题,大大提高了CO2还原成CO的电催化性能。”梁永晔说。 最终,团队发现CoPc/CNT复合催化剂在更大的过电位下可以实现CO2还原获得甲醇的六电子还原反应。在中性电解液中和-0.94 V(相较于标准氢电极)的电位下,可以使甲醇转化法拉第效率及甲醇分电流密度获得数量级的提升。 工业应用仍有距离 梁永晔等人此次的成果发表后,丹麦奥尔胡斯大学化学系教授Kim Daasbjerg在《自然》发表点评文章指出,在这项研究的基础上,通过不断努力改善催化剂性能和电化学电池的设计,有望实现可再生的甲醇燃料生产。 这意味着,在全球温室气体排放问题日益严峻的今天,人们可以利用更高效的催化剂从空气中捕获CO2,从而降低捕获过程的成本。 不过,梁永晔告诉记者,这项成果距离应用还有一段路程。“要实现工业应用,催化效率、电流密度都要更高,电流密度要达到每平方厘米几百毫安。” “我们下一步工作重点是进一步提高催化剂的性能,尤其是甲醇转化的选择性。”王海梁说,“此外,还要结合理论计算与原位表征深入了解反应的机理,优化催化剂的设计,进一步将催化剂集成到反应器中,测试大电流密度下的性能。” 相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1760-8