《NETL与莱斯大学合作开发含碳矿石制石墨烯技术》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 发布时间:2022-03-07
  • 2021年7月12日,美国能源部(DOE)国家能源技术实验室(NETL)发布新闻稿,该实验室正与莱斯大学研究人员合作开发焦耳热闪蒸(FJH)技术,可利用含碳矿石低成本生产高价值石墨烯,探索碳资源在发电之外的潜在变革性应用。FJH工艺是一种低成本、高效的方法,可在不到1秒时间内将几乎所有碳基前驱体大量转化成石墨烯,而其他生产方法或者无法实现高质量石墨烯的大量生产,或者能耗偏高。

    通过使用FJH工艺,研究团队已经成功实现并超过了关键技术目标,即石墨烯产量达到1公斤/天。尽管由于新冠疫情造成了延误,该团队仍提前五个月实现了这一目标。通过自动化技术,研究团队不到两个小时就生产了1公斤石墨烯,远远超出了原定目标。下一步,研究团队将对充电系统进行电气改进,计划在项目结束时将生产率提高一倍。未来将优化系统以实现更可控的操作,并将人工智能及机器学习集成到过程控制中,以根据含碳矿石输入源和石墨烯的最终用途进行完全自主控制。一家由莱斯大学研究人员创立的公司Universal Matter正在DOE的支持下进一步扩大FJH工艺规模,计划到2022年第2季度实现石墨烯产量1吨/天的目标。

相关报告
  • 《DOE资助8000万美元支持先进零碳发电和制氢技术》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 发布时间:2021-01-31
    • 2020年10月28日,美国能源部(DOE)宣布在“Coal FIRST”计划框架下资助8000万美元,支持4个先进零碳发电概念设计开发和系统集成项目。此次资助的项目将探索以煤炭、生物质、天然气等为原料的下一代净零排放发电技术,以及结合碳捕集、利用和封存(CCUS)技术生产氢气。项目将完成概念的设计开发、主场地评估和环境信息数据、投资案例分析以及工程规模原型的系统集成设计。具体内容如下: 1、配备碳捕集的先进加压流化床燃烧发电系统的设计开发和系统集成设计 该项目将设计一个先进燃煤电厂,在未来5-10年内通过示范并在2030年前开始投入市场。该项目将使用加压流化床燃烧(PFBC)技术完成300兆瓦先进燃煤电厂的概念设计和预前端工程设计(pre-FEED)研究,目标是完成先进PFBC电厂的开发设计,为后续建造原型电厂提供设计、选址、环境因素、CO2处置策略和成本等信息。 2、混合燃气轮机和超超临界燃煤锅炉概念(HGCC)的发电厂前端工程设计,配备燃烧后碳捕集和储能系统 该项目将完成HGCC概念的系统集成设计研究,该系统将配备符合“Coal FIRST”计划要求的燃烧后碳捕集和储能系统,通过将电厂和组件设计改进、现场储能、提高燃料效率带来的环境收益和CCUS相结合,构建先进的现代化电厂,以灵活适应电网波动性可再生能源的增长。该系统将包含如下子系统:最先进的270兆瓦超超临界燃煤锅炉、87兆瓦天然气燃气轮机、50兆瓦储能、燃烧后碳捕集以及基于藻类的CO2利用系统。 3、先进煤/生物质气化发电及制氢系统 该项目将进行系统集成设计,该系统将结合吹氧气化、水煤气变换、燃烧前碳捕集和变压吸附,利用煤/生物质混合物产生高纯氢气和可发电的燃料废气,发电机功率达到50兆瓦,氢气产量为8500千克/小时,并实现净零排放。该项目将从内布拉斯加州的两个厂址选取,当地已经进行了碳驱提高石油采收率(EOR)和碳封存潜力的研究,且具有低碳电力和氢气需求。生物质原料将采用当地丰富的玉米秸秆。 4、负排放制氢技术示范 该项目将重新开发现有位于印第安纳州西特雷霍特市的煤气化电厂,将其改造为基于气化技术、燃料灵活的负碳排放发电和无碳氢联产。该电厂将现有气化设施与生物质(木质生物质和/或农业残留物)共同燃烧,实现负排放,同时产生氢气。CO2将被捕集并封存在附近已经验证适合封存的深层盐穴中。
  • 《德国乌尔姆大学开发极端寒冷条件下太阳能热耦合制氢系统》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 发布时间:2022-04-06
    • 气候寒冷偏远地区的燃料输送和使用存在较大困难,将可再生能源生产的绿氢作为替代燃料,其易于在低温环境下保存,对于满足寒冷地区能源需求有较大潜力。然而,大多数制氢方法在零下温度的气候环境中无法很好地工作。德国乌尔姆大学Matthias May团队开发出一种可在零下20℃环境下运行的太阳能热耦合水解制氢系统,由太阳能电池系统和电化学制氢系统组成,采用了低凝固点电解质和严格的热控制设计,并利用了太阳能电池运行过程中产生的热量,使电化学设备运行温度达到10℃左右,为极端寒冷地区、高海拔地区制氢开辟了道路。 当前,大规模水解制氢技术通常在50-1000℃下运行,太阳能水解的实验研究通常采用约20℃的环境温度。然而,小型分布式制氢需考虑室外温度对设备运行的影响,例如为高海拔地区气象站供电。在没有外部加热的情况下,设备的过程温度将非常接近环境温度。低电解质温度会导致更高的催化和离子传输过电位的损失,也会导致电解质出现冷冻现象,使得制氢过程停止,冷冻后的体积膨胀也会损坏反应设备。研究人员采用了低凝固点电解质(如稀硫酸),以便在较低的温度下使用。同时,通过热耦合(利用太阳能电池产生的热量)和设备隔热来补偿由于低工作温度导致的效率损失。研究人员利用数值模型研究了低温对太阳能水分解装置效率的影响,并定量分析了热耦合和隔热装置的影响。结果显示,低温将导致电化学组件的催化性能降低,欧姆损失增加,但另一方面会提升太阳能电池的效率。为了衡量两种相反的效应,研究人员开发了一个开源模型,结合了太阳能电池参数、电化学参数以及热通量,根据太阳能电池和催化剂的温度相关电流-电压特性预测太阳能到氢气(STH)的转换效率。随后,针对由高效双结或三结III–V族太阳能电池和电解水制氢(析氧和析氢催化剂分别为铂<Pt>和铱氧化物<IrOx>)组成的装置进行了计算,使用凝固点为-35℃、浓度30 wt%的稀硫酸(H2SO4)作为电解质。结果显示,随着室外温度降低,基于双结太阳能电池的无热耦合系统STH效率先升高后降低;基于三结太阳能电池的系统STH效率稳定下降;同等环境下采用热耦合设计将STH效率提升了6%。进一步地,研究人员计算了设备隔热对STH效率的影响。模型中通过铝箔减少辐射损失,采用聚苯乙烯减少散热。对于基于双结太阳能电池的系统,隔热对随温度降低STH效率升高的阶段有负面影响,对随温度降低STH效率降低的阶段有正面影响;对基于三结太阳能电池的系统,隔热始终有正面影响。基于数值模拟结果,研究人员在实验室条件下进行了验证。基于商用三结镓铟磷/镓铟砷/锗(GaInP/GaInAs/Ge)太阳能电池和使用商用Pt和IrOx催化剂的电解器构建了实验装置,在-20.5℃至-19.2℃的环境温度、AM 1.5光照下运行了3小时,比较了无热耦合、热耦合系统和热耦合/隔热系统的工作电流、工作电压和运行温度。其中,电解器采用了新型的无膜概念,电极通过楔型块分隔,产物利用浮力分离。由于运行中超过了热中性电压,无热耦合系统的电解质温度仅略微升高,而太阳能电池温度升高,降低了开路电位,因此工作电位略有增加并超过太阳能电池的最大功率点(MPP),导致工作电流急剧下降。而热耦合系统和热耦合/隔热系统的电解液温度分别达到-4.5℃和13.5℃,其对转换效率的影响超过了太阳能电池的效率损失,工作电流增加,工作电位降低。根据实验结果可得出,三种设计下的STH效率分别达到10.3%、11.2%和11.4%。 该项研究克服了传统的太阳能制氢系统不能在零度以下运行的缺陷,利用低凝固点电解质、热管理和热耦合设计,构建了可运行于-20℃的太阳能电池与电解制氢集成系统,并进行了实验验证,为寒冷地区和高海拔地区的脱碳能源供应提供了具有前景的方式。相关研究成果发表在《Energy & Environmental Science》。