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弗吉尼亚大学借助同步辐射技术开发新型催化剂

同步辐射
发布:2020-12-30 16:53:15     来源:盖世汽车

尽管将太阳光转化为电能的技术发展迅猛,但相关电力储存和分配设备效率低下,使太阳能应用受到很大限制。据外媒报道,弗吉尼亚大学、加州理工学院和美国能源部阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员取得的突破性进展或将消除这一过程中的关键障碍,将极大促进清洁能源发展。


 

(图片来源:弗吉尼亚大学)

谈到利用太阳能,有一种方法是利用光能将水分子分解成氧气和氢气。该过程产生的氢气以燃料形式进行储存运输,并根据需要用于发电。为了分解水分子,需要用到催化剂,但是目前用于析氧反应的催化材料效率不够高,在大规模应用方面存在一定局限性。

鉴于这种情况,弗吉尼亚大学(UVA)的研究团队推出创新化学策略,利用钴和钛元素,制造新型催化剂。比起其他常用的含贵金属催化材料(如铱或钌),这些元素的储量要丰富得多。该团队由 Sen Zhang和T. Brent Gunnoe教授领导。Zhang表示:“新工艺通过在氧化钛纳米晶体表面的原子层面上创建活性催化点,从而产生耐用的催化材料,更好地触发析氧反应。开发生产高效析氧反应催化剂的新方法,并进行深入研究,是向大规模使用可再生太阳能过渡的关键。”

这项工作可以成为完美例证,展示如何通过在原子层面调整纳米材料,优化催化剂效率,并用于清洁能源技术。据Gunnoe介绍,“作为了解和改进催化材料的新方法,这一创新以Zhang的实验室所取得的成果为核心,并将先进材料合成、原子水平表征和量子力学理论整合在一起。”

此项得到了研究阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的帮助。通过其领先同步辐射X射线吸收光谱用户设施(通过辐射检测原子层面物质结构),研究团队发现催化剂具有明确的表面结构,并清晰地看到催化剂在析氧反应期间的演变过程,从而精确地评估其性能。阿贡X射线物理学家Hua Zhou表示:“这项研究使用了先进光子源和先进光源的X射线光束线。”先进光子光源(Advanced Photon Source)和先进光源(Advanced Light Source )均为美国能源部科学办公室用户设施,分别位于阿贡和劳伦斯伯克利实验室。

此外,加州理工学院(Caltech)的研究人员利用新开发的量子力学方法,能够准确预测催化剂产生氧气的速率,为详细了解反应化学机制提供帮助。该项目的主要研究人员之一、加州理工学院的William A.Goddard III教授表示:“我们的理论输出基本上与实验结果完全一致,这是推动全球清洁能源发展的重要里程碑。”

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