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自我修復的催化劑使太陽能與水的儲存變得更容易
科技科學
何云
2017-09-20 22:08:39

 目前,儲存太陽能最有效的方法之一就是將能源轉化為催化劑,將水分解成氫和氧。然后,氫氣可以用作燃料,也可以與氧氣結合,在需要的時候產生水和釋放電力。

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然而, 使用水儲存太陽能的問題之一是, 催化劑是由富含泥土的元素 (如錳、鈷和鎳) 在水中以中性 pH 值腐蝕的。為了解決這個問題, 研究人員設計了可自我修復的催化劑, 可以在其他元素的存在下再生, 如帶負電荷的磷酸鹽或硼酸鹽離子。

自我修復的催化劑的一個顯著特征是,只要他們還在運作,就沒有限制他們能自我治愈的次數。

現在,在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上發表的一篇新論文中,兩名開發了自我修復催化劑的研究人員,巴黎狄德羅大學(Paris Diderot University)的Cyrille Costentin和哈佛大學(Harvard University)的丹尼爾·g·諾塞拉(Daniel g . Nocera),研究了這一過程在更詳細的層面上是如何工作的。

Nocera:“這篇論文提供了一個自我修復的量化模型。”“它實際上超越了能量,為任何自我修復催化劑的設計提供了一個路線圖。”規則集是自組裝和催化。如果催化劑運行的能量大于自組裝,那么催化劑就應該是自愈。因此本文提出的原則是普遍的。

正如研究人員在他們的研究中所顯示的,如果自我修復過程需要的能量比正常的催化劑操作所需的能量少,那么催化劑就可以自我修復。控制自我修復過程的一個簡單方法是調整溶液的pH值,因為這兩個過程所需的能量取決于pH值。

研究人員表明,有一個關鍵的pH值“自我修復區域”,這取決于各種因素,特別是水分裂細胞的幾何形狀,以及磷酸鹽或硼酸鹽的緩沖濃度。幸運的是,在實際應用中,研究人員表明,自我修復可以在廣泛的pH值上出現,包括典型的細胞幾何形狀和緩沖濃度的中性pH值,這使得大多數的自然水源都可以用來儲存太陽能。

由于未來對可再生能源的需求預計將來自低收入、發展中國家,因此,利用當地天然水源而不是純凈水儲存太陽能的能力將為實現技術成本和大規模生產提供巨大優勢。研究人員計劃在未來朝著這個目標努力。

Nocera說:“下一個階段是原型設計。”“我們正在使用這種催化劑,與二氧化碳和氮氣固定細菌(2016年科學小組的論文和2017年的PNAS)一起使用,以生產液體燃料和肥料,可再生(只使用空氣、水和陽光作為輸入)。”這些原型目前正在印度開發。

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