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《全新双膜系统突破“海水制氢”瓶颈》

  • 来源专题：水环境治理与保护
  • 编译者： 王阳
  • 发布时间：2023-04-26

  • 由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队就找到了一种新方法，通过双膜系统和电力直接从海水中“排出”氢气，而且不会产生大量有害物质。最新研究成果已于近期发表在了《JOULE》杂志上。

    研究人员Adam Nielander说：“如今，许多水制氢系统都试图使用单层或单层膜。我们的研究将两层结合在一起。这些膜结构使我们能够在实验中控制海水中离子的移动方式。”

    为了处理海水，该团队实施了双层膜系统，并使用电解对其进行了测试，电解是一种使用电力驱动离子或带电元素以进行所需反应的方法。SLAC和斯坦福大学博士后研究员Joseph Perryman说，他们通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计。

    最理想的膜系统需要执行三个主要功能：从海水中分离氢气和氧气；仅移动有用的氢和氢氧根离子，同时限制其他海水离子混入；防止不良反应。将这三种需求结合在一起很难，而该团队此次似乎做到了。

    在他们的实验中，质子，即正氢离子，穿过其中一个膜层到达一个可以收集它们的地方，并通过与带负电的电极相互作用转化为氢气。系统中的第二层膜只允许负离子（如氯离子）通过。

    斯坦福大学化学工程研究生、合著者Daniela Marin说，作为一种额外的支撑，一个膜层含有固定在膜上的带负电荷的基团，这使得氯化物等其他带负电的离子更难混入不该去的地方。

    在该团队的实验中，带负电的膜被证明能高效地阻挡几乎所有的氯离子，而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯等有毒副产物。

    接下来，该团队计划通过使用更丰富、更容易开采的材料建造电极和膜来改进它们。该团队表示，这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动（如运输部门）生产氢气所需的规模。

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    • 来源专题：数控机床——战略政策
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2018-09-20
    • 在国产机器人的整机新能、核心零部件逐步取得进展之后，巨大的人才缺口、应用生态的匮乏开始成为制约“机器人红利”的重要因素。 自2013年成为全球最大的机器人市场之后，中国的“机器人红利”渐行渐近。在8月15-19日举行的世界机器人大会期间，整个机器人行业都明显感受到“人口红利消失之后，越来越多的制造企业探索通过机器人打破瓶颈”。 中国机器人市场的爆发超出所有人预期。根据世界机器人协会IFR此前发布的《2018年世界机器人报告》，2017年，中国市场消费机器人高达13.8万台，同比增长58%，占全球38万台总销量的36.3%。这一销量远超IFR此前预测的11.5万台。2013年以来，中国机器人市场规模从3.7万台提升至13.8万台，年复合增长率38.97%。 根据中国机器人产业联盟数据，2016-2017年，中国机器人密度已从69台/万人提升至101台/万人。机器人密度是指每万名工人使用机器人数量，IFR此前公布数据介绍，2016年全球制造行业机器人密度为74台/万人。 根据《机器人产业发展规划（2016－2020年）》，中国到2020年的机器人密度将达到150台/万人，未来3年仍存在数十万的市场需求。相比之下，日本、德国的机器人密度已超过300台/万人，韩国更是达到631台/万人，中国仍存在巨大的增量空间。而目前，这一高速增长的市场需求正在驱动中国乃至全球的机器人产业链、应用生态加速成熟。 国产机器人的规模效应 “2017年，我们签了1000台销售订单，今年会超过3000台。”2015年成立的遨博智能科技如今已经成为国内协作机器人的领军企业，遨博智能机器人研究院院长李永东告诉记者，“我们有200-300家企业正在试用产品，其中包括很多以前从没使用过机器人的中小企业。从试用到批量订货的市场拓展中，订单在高速增长。”目前，遨博机器人在国内销量仅次于Universal Robots，后者是全球最早推出协作机器人的公司，目前总销量已突破20000台。 在传统工业机器人逐渐取代了单调重复、高负荷、高危险性工作之后，适用于柔性生产线、低成本、操作简单的协作机器人在近几年开始登上历史舞台。 “电子、汽车、服装等行业，一条生产线会生产很多类型的产品，一周生产一个订单，之后迅速换另一个产品，这就要求机器人能够快速切换不同工具，能够快速编程切换到新的产品上，而且机器人要有足够的安全性与工人协同”。李永东告诉记者，“传统机器人做不到，但协作机器人应运而生。” 协作机器人主要工作在负载10公斤以下的人工作业场景，诸如汽车、电子行业的拧螺钉、上下料、零部件打磨、检测、电路板焊接等环节，其操作简单、部署成本低等特性被越来越多中小企业所接受。 2017年国内协作机器人市场规模约4000-5000台，在总市场中占比约3.5%。不过，协作机器人是目前增速最快的市场，而且，在李永东看来，“如果以销售套数统计，协作机器人很快会成为需求量最大的产品。” 值得一提的是，遨博机器人的低成本主要得益于全产业链的国产化，其核心操作系统、控制器属于自研，伺服电机等核心零部件与国内企业定制研发，在与Universal Robots同样达到0.02毫米精度的情况下，其产品成本降低了50%以上。目前，遨博机器人除了在国内迅速扩张之外，还有20%-30%的订单来自于韩国、美国、欧洲等国外市场。 减速器、伺服电机、控制器是机器人的三大核心部件，目前这三大产品的国产化都已经取得部分突破。以苏州绿的谐波减速器为例，太平洋证券预测：“2017年绿的谐波减速器2017年出货量已达7万套，且2018年将翻倍成长，预计可以替代日本企业HD的市场份额。” 在核心部件国产化之前，国产机器人进口价格是国际企业的两倍以上，使得国产机器人在性能、成本上均难以参与竞争，如今，在同样性能的产品中国产机器人已经具备明显成本优势。 根据《机器人产业发展规划（2016－2020年）》，到2020年，自主品牌工业机器人年产量达到10万台，精密减速器、伺服电机及驱动器、控制器的性能、精度、可靠性达到国外同类产品水平，市场占有率达到50%以上。 国产机器人的硬仗 2017年，国内市场上国产机器人的销量达到37825台，同比增长了29.8%，但是，如果要达到2020年产量10万台目标，国产机器人至少在此后四年保持40%的复合增长率。 而相比之下，2017年，外资机器人在华销售量超过10万台，同比增长了72%。国产机器人的市占率反而从2016年的32.7%降至26.8%，降低了5.9%个百分点。 “2017年市场的爆发主要来自汽车、3C行业，这两个行业大部分产线对精度、出货效率要求非常高，国产机器人指标、性能、一致性暂时达不到要求，所以一直以来这两个行业都是以进口为主。”一位资深行业分析师告诉记者，“2017年，3C、汽车行业的机器人需求量占总市场的65%，而且主要增量也来自这两个行业，所以国产机器人的占比就自然下滑了。” 根据中国机器人产业联盟数据，2017年，在3C制造业，外资机器人占比71.6%，在汽车行业，外资机器人占比更是高达89.6%。 不过，国产机器人在金属加工、焊接，以及物料搬运、码垛行业正在迅速占领市场，60%的国产机器人主要用户不同场景的搬运、上下料，而在这一市场，国产机器人占比已经达到36.6%。国产机器人、核心零部件的突破主要来自于物料搬运、金属加工等一般制造业场景。 “最近几年国内企业一直进步，减速器、控制器、伺服电机系统都取得了一定程度上的突破。”科技自动化联盟秘书长、国产伺服驱动器厂商清能德创董事长王健告诉记者，“在对精度、性能要求不高的码垛、上下料、一般焊接市场上都可以胜任。” “受益于国内强大的电子制造业基础，我们可以设计、制造可靠、可用的伺服驱动器，并做到进口替代。”王健告诉记者，但想要让机器人在精度、性能、一致性等指标上再进一步，仍需要持续的积累，“减速器、电机这类核心部件，都属于机械制造，我们与国际企业在机械制造领域存在着工艺、材料、装备、设计等全方位的差距。” “现在，国产机器人产业正处在一个相对艰难的微妙时刻。”王健告诉记者，在中国机器人企业逐步崛起之后，国际机器人、零部件巨头都在开始有节奏地进行价格调整，国产机器人的利润被一步步压缩，“虽然产量、用量都在增加，但毛利在下降，外资企业的竞争力在提升，国内的整机、零部件却很难有更多的利润去支撑研发，行业正在逐渐步入红海。” 虽然同样走在中国市场的机器人浪潮中，但显然外资企业的生存环境远比国产企业舒适。王健告诉记者，“虽然长远来看国产机器人肯定能够成长起来，但现在我们有一场硬仗要打。” 遭遇生态瓶颈 对于诸多制造企业而言，“机器人转型”同样也是一场硬仗。 “买一台机器人，可能只要20万，但是为了让机器人在生产线上工作，你可能得花800万、1000万。”一位手机制造企业人士告诉记者，“以前的厂房、生产线都是为人工设计的，现在上机器人，要重新设计生产线、要给机器人装护栏，产线改造要花很多钱，而且，机器人的安装、调试、检修、维护，甚至产品更换、编程都完全依赖机器人企业。” 在该人士看来，“虽然机器人本身成本降下来了，但是机器人的应用、人才等配套的成熟还有一段距离，尤其对于没有人才积累的中小企业。” 一位国际机器人企业人士向记者介绍，“在欧洲、韩国等国家，机电类工人都具备机器人操作能力，他们拿到机器人都可以自行安装、调试、开发。但在国内，还有很多企业工程师没见过机器人，所有流程都得我们派驻现场工程师。” 值得注意的是，根据IFR数据，在2010-2015年，美国、德国汽车行业分别安装了6万、1.4万个机器人，同期增加就业人口23万、8万个。但在国内，机器人已经替换掉近百万用工量，但新增的机器人操作工程师却形成了巨大的人才缺口。 2017年2月，教育部、人力资源和社会保障部、工业和信息化部联合印发了《制造业人才发展规划指南》，到2020年，中国机器人产业人才缺口达到300万，2025年将扩大到450万。 除此之外，机器人应用的生态体系也需要逐步完善。“机器人使用的机械爪、机器视觉摄像头、传感器等周边产品要进行定制设计。”库伯特市场部大客户经理杨一粟告诉记者，“针对物料码垛、装配、打磨等不同工业场景下的应用程序需要逐步开发，机器人与生产线上其他设备的协同，需要建立一整套的生态体系。”库伯特是一家成立于2016年，专注于工业机器人智能操作系统的公司，系统中内置了多个场景的应用程序以及3D视觉、力控算法。目前京东、顺丰、菜鸟、九州通达等企业在使用其操作系统。 在国产机器人、核心零部件逐渐成熟之后，劳动力结构的转型、机器人产业人才的培养、以及智能制造生态平台的建设开始成为“机器人红利”的瓶颈，在陆续上马的“机器换人”行动中，这些正在出现的问题需要得到更多的重视。.
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  • 《美科学家在沸石分子筛膜合成领域取得重大突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2017-07-17
    • MFI沸石分子筛膜是一种可以实现分子筛分的新型膜材料，具有膜孔均一、耐高温、耐腐蚀、不溶胀等优点，是理想的膜分离材料，然而难于放大合成和高成本一直是限制沸石分离膜应用的瓶颈。美国明尼苏达大学Michael Tsapatsis教授课题组在沸石分子筛膜合成方面取得了重大突破，合成了超高选择性、高通量超薄沸石分子筛膜，为其工业化应用奠定了基础，在节能减排、资源高效转化和环境保护中将发挥重要作用。研究人员基于MFI晶体结构的沸石种子层采用自下而上的方法在硅衬底上一步法合成了高长径比、形貌高度均一的MFI沸石纳米片晶体，该方法简单易拓展。透射电镜表征结果显示，纳米片的厚度仅为5 nm，宽度却达到了几个微米，是先前文献已报道MFI沸石纳米片宽度的10倍。随后将其从硅衬底玻璃剥离得到无衬底的MFI沸石纳米片，通过简单抽滤的办法直接将其铺到多孔硅纤维（SSF）载体上制备了MFI沸石分子筛膜。该膜可实现二甲苯异构体的高效分离，在150℃温度下，其二甲苯异构体的渗透率达到了0.56×10−6mol Pa−1 m−2 s−1，分离系数达到了2000，其分离性能是目前已报道的MFI沸石分子筛膜的最佳值。此外，经过5周的测试后，其二甲苯异构体的渗透率和分离系数分别维持在0.35× 10−6mol Pa−1 m−2 s−1和1200，表现出优秀的性能稳定性。该项研究开发了一种全新的超高选择性MFI沸石分子筛膜制备方法，该方法突破了分子筛膜的放大合成、制备成本高的限制，对于推动分子筛膜商业化应用具有重要意义。相关研究成果发表在《Nature》 。
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