環球科普：變革性的能源技術

圖片來源：Pixabay / CC0公共領域
據相關估計，每年到達地球表麵的太陽能總量超過了我們利用不可再生資源所產生的能源總和。將太陽能轉化為電能的必要技術迅速發展，但儲存和分配太陽能的效率低下仍然是一個重大問題，導致太陽能的大規模應用難以實現。然而,一項來自弗吉尼亞大學（UVA）、加州理工學院藝術科學研究生院、美國能源部的阿貢國家實驗室、倫斯伯克利國家實驗室以及布魯克海文國家實驗室的研究人員取得的重大突破性研究，可以消除這一過程中的一個關鍵障礙，該發現代表朝著清潔能源的未來邁出的一大步。
使用太陽能的方法之一是利用太陽能把水分子電解成氧氣和氫氣。這個過程產生的氫氣可以作為燃料儲存起來，從而實現能源的轉運，並在需要的時候用來發電。為了將水分子分解，催化劑是必要的，但目前在這個過程（也稱為析氧反應）中使用的催化材料，其效率還不足以支撐實用。
然而，利用弗吉尼亞大學開發的一種創新化學策略，由化學教授Sen Zhang和T. Brent Gunnoe領導的研究團隊用鈷和鈦元素生產出了一種新型催化劑。鈷鈦元素的優點是，它們在自然界中比其他常用的催化劑貴金屬材料(如銥或釕)要豐富得多。
“新工藝涉及在氧化鈦納米晶體表麵的原子層麵上創建活性催化位點，該技術可生產出一種耐用的催化材料，並且更易觸發析氧反應。”Sen Zhang說，“該製造高效析氧反應催化劑的新方法以及增強對它們的基本理解是可能過渡到可再生太陽能大規模使用的關鍵。這項工作是如何在原子尺度上調整納米材料來優化清潔能源技術催化劑效率的一個完美例子。”
Gunnoe表示，“這項創新以Sen Zhang實驗室的成果為中心，代表了一種完善和理解催化材料的新方法，其成果綜合了先進材料合成、原子水平表征和量子力學理論。”


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“幾年前，弗吉尼亞大學加入了MAXNET能源聯盟，該聯盟由八個馬克斯普朗克研究所(德國)、弗吉尼亞大學和卡迪夫大學(英國)組成，國際合作的努力聚焦於電催化水氧化研究。MAXNET能源是目前我的團隊和Zhang實驗室共同努力的源頭，也將持續是一項卓有成效的合作。”Gunnoe說。
在阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室及其先進的同步加速器x光吸收光譜用戶設施（使用輻射在原子層麵上檢驗物質的結構）的幫助下,研究小組發現,該催化劑具有良好的表麵結構,能夠讓他們清楚地觀察到催化劑在析氧反應中的演化,並準確地評價其性能。
“這項工作使用了來自先進光子源與先進光源的x射線光束，包括部分‘快速訪問’計劃，用於快速反饋回路，以探索緊急或緊迫的科學思想，”論文的合著者、阿貢x射線物理學家Hua Zhou表示。“我們非常興奮，這兩個國家的科學用戶設備可以做出實質性的貢獻，進行如此幹淨利落的水分離工作，這將是清潔能源技術的一項巨大飛躍。”
先進光子源和先進光源分別是位於美國能源部阿貢國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的美國能源部辦公室下的科學用戶設施。
此外，加州理工學院的研究人員使用新開發的量子力學方法，能夠準確預測催化劑產生氧氣的速率，這為研究小組提供了反應化學機理的詳細理解。


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“五年多來，我們一直在開發新的量子力學技術來理解析氧反應機理，但在之前的所有研究中，我們沒有確定確切的催化劑結構。“Zhang的催化劑具有明確定義的原子結構，我們的理論輸出基本上與實驗觀測結果完全一致，”加州理工學院的化學、材料科學和應用物理學教授William a . Goddard III說，他也是該項目的主要研究者之一。“這為我們的新理論方法提供了第一個強有力的實驗驗證，我們現在可以用它來預測更好的可被合成和測試的催化劑。這是全球清潔能源發展的一個重要裏程碑。”
弗吉尼亞大學化學係主任Jill Venton說:“這項工作是弗吉尼亞大學和其他在清潔能源領域研究人員團隊努力的一個範例，也是這些跨學科合作中一項令人振奮的發現。”
撰文：Russ Bahorsky
翻譯：曾欣欣
翻譯：董子晨曦
引進來源：物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-12-breakthrough-energy-technology.html



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