运用交际账号登陆

当时方位: 主页 > 观念 > 博客 > Dexter Johnson

人工光合效果:从水分化到CO2复原

作者: Dexter Johnson 来历: 不知道


图片1.png 

图片来历:Dexter Johnson

 

人工光合效果商业化的路途一向十分崎岖。像“人工叶片”这样的故事早在2001年就被媒体大举炒作,可是该技能的初始研制公司——Sun Catalytix——在2012年明晰知道不行能在这个方向取得更多经济利益后,很快就抛弃了他们的商业企划。

 

而在此期间也有其他公司鼓起,比方Hypersolar,持续尝试着使他们的技能商业化。这个科研集体的命运好像很不错,极大地推进了光电化学复原方面的根底研讨。

 

光电化学复原的研讨大部分是由美国动力部人工光合效果联合中心(JCAP)掌管展开的。IEEE Spectrum近期采访了JCAP在伯克利国家试验室北方分部的科研人员。(南边分部在帕萨迪纳的加尼福尼亚理工学院)咱们探讨了现在科技展开的现状、未来的展开方向以及纳米技能在光电化学复原展开中所起到的效果。

 

JCAP成立于2010年。开端这是美国动力部一个五年合约下的项目,旨在完结仅用阳光、水和二氧化碳生成氢气和碳基燃料的宏伟蓝图。2015年两边续签了五年。

 

“在第一个五年里,咱们的方针十分明晰,那便是哪种类型的人工光合效果是咱们能够真实完结的。”JCAP北方分部科研副主任Frances A. Houle解说道,“最开端咱们首要研讨水分化成功地完结了咱们的方针。”

 

Houle说JCAP研讨的工艺到达了至少10%的氢功率。氢功率是指从化学动力与太阳能的产能功率份额。这些设备不只体现出了高水平的安稳性和持久性,而且它们也有望建成大规模集成设备。Houle指出一些试验子系统现已到达18%的氢功率,不过这些设备和JCAP的现有设备天壤之别。

 

 “咱们的系统不只能够分化水,还能彻底别离产品”,Houle解说道,“一般水分化的进程中会一起生成氢气和氧气,也便是一种爆炸性混合物。所以,咱们规划设备时在系统内嵌入了膜。这样就能够在高效分化水的一起还能够得到彻底别离的产品。”

 

在第一个五年后,JCAP开端选用技能老练度(TRL)评价技能展开。TRL有十个等级,从1到10。其间1级代表根底研讨阶段,10级代表技能现已老练,能够进行出产布置了。

 

JCAP的水分化研讨被评价为TRL 3级,即试验设备现已证明实践可用,不再是根底研讨。Houle说,TRL 3级阶段标明设备行将转入展开阶段,由能效和可再生动力(EERE)办公室赞助开发。

 

2015年开端,JCAP的责任就变成了研讨经过怎么光电化学法而非电解法复原二氧化碳。“这是一个极为有挑战性的长时刻研讨,和此前的研讨彻底不同,”Houle说。

 

复原二氧化碳的任务要远比分化水杂乱,展开之路也更困难。二氧化碳复原的首要难题是:当你期望该进程只发生某一种特定燃料,比方乙醇时,反响进程常常会发生一系列产品。JCAP展开该项目时刻还不久,现在还没有宣布相关文章。

 

一起,水分化方面的最新研讨现已在《天然 资料》上宣布:研讨人员在用于人工光合效果的半导体上规划添加了水分化催化剂。

 

关于该研讨范畴的一点小布景:半导体资料具有特别的带隙。当被高于带隙能量的光子碰击时,半导体带隙能够发生电子-空穴对。这便是在光伏器材中半导体资料将太阳能转化为电能的原因,也是光电化学复原的基本原理。

 

那篇文章和其他相关作业中的半导体制备和表征由Francesca Maria Toma(JCAP首要研讨员)和她的搭档Jason Cooper(JCAP科研员)完结。精确来说,他们一向在研讨硅、III-V族半导体和金属氧化物半导体在人工光合效果方面的效果。

 

“其实咱们正在尽力经过运用金属氧化物半导体来下降封装本钱,并不断改进它们的功能,一起弄清楚这种新型资料或许存在的缺点。现在咱们还没有彻底弄清楚这种资料的性质。比较于像硅这样理论明晰的传统系统,新型资料器材更简单呈现缺点,”Cooper说道。

 

Toma解说说,他们正在运用电子来分化水或复原CO2,可是方针是在电池内部完结该反响,也便是空穴能够被用在氧化反响极上。“他们经过调查纳米资料在受限环境中的体现完结反响。详细来讲,咱们现在正在霸占的方向是运用氧化铜等光吸收剂,一起使其纳米结构化,然后取得更高的光电流,”Toma说,“在这种方法下反响几率会更高,由于光电流更多。咱们还研讨了制备受限环境。在受限环境里能够植入纳米颗粒或许界面然后便于咱们调查反响进行的进程。”

 

Toma、Cooper及其在JCAP的搭档现已开宣布多种在建的设备架构。他们搭建了一个装备齐全、能够主动移动到太阳下生成氢气和氧气的设备。该设备运用可商业化的、高效的半导体资料。这些半导体资料拼装安稳,能够维护资料免受水化学氧化或复原进程中呈现的苛性溶液腐蚀。

 

回忆从前Houle解说的内容,Cooper承认在出产像这样的设备时他们首要的作业是将半导体从苛性溶液中别离出来。“那也是项目的一个霸占方针:怎么搭载并封装这些高效设备,使其能够安稳发生数小时的很多气泡”,Cooper说。

 

在这种装备下,研讨人员运用了搭载催化剂网格的环氧树脂别离设备。因而半导体上发生的电子能够被牵引到催化剂层上,再转入溶液里。

 

运用环氧树脂实质上献身了空间功率。所以为了处理这个问题,研讨人员又选用了原子层堆积法(ALD),将环氧树脂层的厚度减少到了4纳米。这些极薄层和硅结合在一起,使得催化剂自身充任维护层成为或许。

 

现在悉数这些效果和不少正待宣布的作业,都是分化水这一课题下的产品。现在研讨正在转向复原二氧化碳,所以,研讨方向也在改变。不过迄今为止堆集的研讨经历依然能够用于二氧化碳复原的研讨,尽管前路或许困难重重。

 

Toma弥补道:“这并不意味着咱们需求去了解一个咱们专业之外的全新范畴,由于咱们的科研布景关于了解二氧化碳复原依然有很大协助。它们的反响进程到底是类似的。”

 

 

本文观念仅代表作者,不代表《美国人》。

 

(翻译:赵小娜;审校:杨玉洁)


关于我

Dexter Johnson