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自我修复的催化剂使太阳能与水的储存变得更容易
科技科学
何云
2017-09-20 22:08:39

 目前,储存太阳能最有效的方法之一就是将能源转化为催化剂,将水分解成氢和氧。然后,氢气可以用作燃料,也可以与氧气结合,在需要的时候产生水和释放电力。

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然而, 使用水储存太阳能的问题之一是, 催化剂是由富含泥土的元素 (如锰、钴和镍) 在水中以中性 pH 值腐蚀的。为了解决这个问题, 研究人员设计了可自我修复的催化剂, 可以在其他元素的存在下再生, 如带负电荷的磷酸盐或硼酸盐离子。

自我修复的催化剂的一个显著特征是,只要他们还在运作,就没有限制他们能自我治愈的次数。

现在,在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的一篇新论文中,两名开发了自我修复催化剂的研究人员,巴黎狄德罗大学(Paris Diderot University)的Cyrille Costentin和哈佛大学(Harvard University)的丹尼尔·g·诺塞拉(Daniel g . Nocera),研究了这一过程在更详细的层面上是如何工作的。

Nocera:“这篇论文提供了一个自我修复的量化模型。”“它实际上超越了能量,为任何自我修复催化剂的设计提供了一个路线图。”规则集是自组装和催化。如果催化剂运行的能量大于自组装,那么催化剂就应该是自愈。因此本文提出的原则是普遍的。

正如研究人员在他们的研究中所显示的,如果自我修复过程需要的能量比正常的催化剂操作所需的能量少,那么催化剂就可以自我修复??刂谱晕倚薷垂痰囊桓黾虻シ椒ㄊ堑髡芤旱膒H值,因为这两个过程所需的能量取决于pH值。

研究人员表明,有一个关键的pH值“自我修复区域”,这取决于各种因素,特别是水分裂细胞的几何形状,以及磷酸盐或硼酸盐的缓冲浓度。幸运的是,在实际应用中,研究人员表明,自我修复可以在广泛的pH值上出现,包括典型的细胞几何形状和缓冲浓度的中性pH值,这使得大多数的自然水源都可以用来储存太阳能。

由于未来对可再生能源的需求预计将来自低收入、发展中国家,因此,利用当地天然水源而不是纯净水储存太阳能的能力将为实现技术成本和大规模生产提供巨大优势。研究人员计划在未来朝着这个目标努力。

Nocera说:“下一个阶段是原型设计。”“我们正在使用这种催化剂,与二氧化碳和氮气固定细菌(2016年科学小组的论文和2017年的PNAS)一起使用,以生产液体燃料和肥料,可再生(只使用空气、水和阳光作为输入)。”这些原型目前正在印度开发。

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