太陽能燃料的案例
新型催化劑突破電解水難題，氣態的太陽能燃料誕生了
最后，零價的氫原子和氧原子分別成鍵形成氫分子和氧分子；這樣一來，氣態的太陽能燃料就誕生了。
通過阿爾貢光子源，研究者能夠在反應過程中直接測量鈷的化合價，并通過理論計算一個名為“交換耦合”的量子力學數值。該值定義了氧和鈷之間的電子自旋量。研究者認為這些電子對的自旋方向是相反的，也就是說它們具有反鐵磁性。
“反鐵磁性在氧分子共價鍵的形成過程中起到了重要作用，”Hadt補充道。“因為它為化學鍵同時提供兩個電子創造了可能。”
而X射線吸收光譜則成功觀測到了高價鈷離子的位置。“最終，我們看到了反應的具體的位置和過程，我們通過電子的轉化看到了催化劑的性質。”
文章轉載自微信公眾號：材料科學與工程
展開 科學家研制神奇液體：把太陽能裝在瓶子里保存幾年
圖示：瑞典哥德堡查爾默斯理工大學教授開發的太陽能熱能燃料儲能系統
瑞典科學家研制出一種特殊液體，可以吸收少量太陽能并儲存起來，然后在需要的時候釋放出來。
太陽能是一種清潔能源，如果我們可以把太陽能裝進瓶子，即便沒有太陽光，也可以為我們提供能源，但這種想法能實現嗎？
幾十年來科學家們一直在尋找方法，現在瑞典研究人員表示，相關工作有了重大進展。他們已經開發出一種特殊的液體，可以吸收少量太陽能，并儲存幾個月甚至幾年，然后在需要的時候釋放出來。如果這種太陽能熱能燃料能夠得到完善，它可能會取代化石燃料，并幫助解決我們面臨的全球變暖問題。
與石油、煤炭和天然氣不同，太陽能熱能燃料是可重復使用的，而且對環境友好。這種燃料能夠在不排放二氧化碳和其他溫室氣體的前提下釋放能量。
麻省理工學院研究此類材料的實驗室負責人杰弗里 格羅斯曼(Jeffrey Grossman)表示:“太陽能熱能燃料就像可充電電池，但與電能不同的是，需要先吸收陽光，然后在需要的時候將熱量釋放出來。”
在瑞典哥德堡查爾默斯理工大學的物理大樓屋頂上，卡斯珀·莫斯-保爾森（Kasper Moth-Poulsen）建造了一個原型系統，用于測試研究小組開發的新型太陽能熱能燃料。
當泵驅動液體循環通過透明管道時，來自太陽的紫外光會激發其分子進入充能狀態。光使得燃料中碳、氫和氮原子之間的鍵進行重新排列，將一種被稱為降冰片二烯的化合物轉化為一種四環烷的化合物。由于能量被強化學鍵所束縛，即使當它冷卻下來時，四環烷仍然保留著捕獲的太陽能。
為了提取儲存的能量，莫斯-保爾森將這種活性燃料通過鈷基催化劑，四環烷分子就會轉變為降冰片二烯。這種轉化釋放出大量的熱量，足以將燃料的溫度提高63攝氏度。
圖示：這種能量系統能夠實現閉環運行。
展開 Ansys攜手能源公司Synhelion打造無碳交通
作為可持續太陽能燃料領域的全球領先者，Synhelion使用Ansys多物理場仿真解決方案以及高溫太陽能熱，將二氧化碳（CO2）和水轉化為合成燃料，如適用于傳統內燃機和飛機渦輪機的太陽能汽油、柴油、航空燃料。
在執行這種轉化時，鏡面反射陽光并將其直接聚集到太陽能接收器上，從而將傳熱流體的溫度加熱到高達1500攝氏度（2732華氏度）。隨后使用太陽能熱驅動熱化學反應器，以生產可持續燃料。Synhelion充分利用Ansys計算流體動力學（CFD）與有限元分析（FEA）軟件的優勢，比如采用Ansys? Fluent?和Ansys? Mechanical?來了解復雜流，并在極高的溫度下復制熱-流體動力學，從而設計并驗證合適的設備。憑借Ansys業界一流的仿真工具，Synhelion能夠克服設計挑戰，預測未來結果，并減少原型設計時間，最終的太陽能燃料能夠應對各種挑戰，不僅綠色環保、經濟實惠、易于運輸，而且能夠長期存儲。
Synhelion利用鏡面場產生高溫太陽熱能，驅動熱化學過程，從而生產即用燃料（圖片來源：Synhelion）
Synhelion熱系統負責人Lukas Geissbühler表示：“Ansys CFD和有限元仿真可幫助我們研發、測試和驗證極為復雜的技術，從而創造出可持續的太陽能燃料。尤其在研發太陽能接收器時，我們需要先進且準確可靠的軟件，而Ansys能夠充分滿足我們的需求。得益于Ansys軟件，我們能夠減少原型設計時間，并更快地構建我們的首款工業接收器。”
Synhelion直接在熱化學流程中使用聚集的太陽能，可利用100%的光譜，相較之下，使用光伏（PV）面板只能利用20%的光譜。
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在執行這種轉化時，鏡面反射陽光并將其直接聚集到太陽能接收器上，從而將傳熱流體的溫度加熱到高達1500攝氏度（2732華氏度）。隨后使用太陽能熱驅動熱化學反應器，以生產可持續燃料。Synhelion充分利用Ansys計算流體動力學（CFD）與有限元分析（FEA）軟件的優勢，比如采用Ansys? Fluent?和Ansys? Mechanical?來了解復雜流，并在極高的溫度下復制熱-流體動力學，從而設計并驗證合適的設備。憑借Ansys業界一流的仿真工具，Synhelion能夠克服設計挑戰，預測未來結果，并減少原型設計時間，最終的太陽能燃料能夠應對各種挑戰，不僅綠色環保、經濟實惠、易于運輸，而且能夠長期存儲。
Synhelion利用鏡面場產生高溫太陽熱能，驅動熱化學過程，從而生產即用燃料（圖片來源：Synhelion）
Synhelion熱系統負責人Lukas Geissbühler表示：“Ansys CFD和有限元仿真可幫助我們研發、測試和驗證極為復雜的技術，從而創造出可持續的太陽能燃料。尤其在研發太陽能接收器時，我們需要先進且準確可靠的軟件，而Ansys能夠充分滿足我們的需求。得益于Ansys軟件，我們能夠減少原型設計時間，并更快地構建我們的首款工業接收器。”
Synhelion直接在熱化學流程中使用聚集的太陽能，可利用100%的光譜，相較之下，使用光伏（PV）面板只能利用20%的光譜。
展開 
華裔科學家發明新型納米材料，從海水中成功提取氫燃料
通過從海水中提取氫氣來生產氫燃料電池是有可能的，但是這一過程所需要的電能使整個過程變得代價高昂。日前，來自UCF的研究員楊洋提出了一種新型的混合納米材料，可以通過太陽能，從海水中產生氫氣，比目前的材料更便宜、更有效。這一突破有望成為清潔燃料的新來源，減少對化石燃料的需求，促進經濟的發展。
楊洋是佛羅里達中央大學納米科學技術中心和材料科學與工程學系聯合任命的助理教授，他已經研究了近10年的太陽能氫分裂。它是用一種光催化劑來完成的，這是一種利用光的能量刺激化學反應的材料。當他開始研究的時候，楊教授專注于利用太陽能從純凈水中提取氫，用海水所需的光催化劑不夠耐用，無法處理其生物量和腐蝕性鹽。正如《能源與環境科學》雜志所報道一樣，楊教授和他的研究團隊開發出了一種新的催化劑，不僅能夠獲得比其他材料更廣泛的光譜，而且能夠經受住在海水中發現惡劣環境。
楊教授表示：“我們已經打開了一個新的窗口來分解真正的水，不僅僅是實驗室里的純凈水。在海水中也很有效。”楊洋開發了一種由混合材料組成的光催化劑，微小的納米技術被化學蝕刻在二氧化鈦薄膜的表面上，這是最常見的光催化劑。這些納米孔的凹痕表面涂上了二硫化鉬的納米薄片，這是一種具有單一原子厚度的二維材料。典型的催化劑只能將有限的光轉化為能量，有了新材料，楊教授的團隊能夠顯著提高可以收獲的光，通過控制納米薄片中硫的密度，可以產生從紫外光波到近紅外光波長的能量，使其效率達到目前光催化劑的兩倍。
楊教授表示:“我們可以從光中吸收比傳統材料多得多的太陽能。在許多情況下，從太陽能中生產化學燃料比太陽能電池板發電更好。電力必須使用或儲存在電池中，這將降低其性能，而氫氣則很容易儲存和運輸。制造催化劑相對簡單和便宜。楊教授的團隊正在繼續進行研究，專注于擴大制造的最佳方式，并進一步提高其性能，這樣就有可能從廢水中分離出氫。
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展開 雜志下載 | Ansys Advantage：仿真為能源和可持續發展賦能
該項目使用1,200個被稱為定日鏡的立式聚光鏡來實現太陽光線追跡，通過高性能太陽能光伏（PV）模塊發電，然后將副產品熱能儲存在一個足有四個奧林匹克游泳池大小的水坑中，熱能隨后被轉換為可供調度的電能。探索Raygen如何利用仿真將大片定日鏡場集中在單個接收器上，然后儲存太陽能。
Synhelion使用Ansys多物理場仿真技術以及高溫太陽能熱，將二氧化碳和水轉化為用于運輸的碳中和合成“太陽能燃料”，如適用于傳統內燃機和飛機渦輪機的太陽能汽油、柴油、航空燃料。創新的“太陽能燃料”是碳中和的，即CO2排放量與生產過程中的吸收量一樣多，這意味著不會向大氣中排放額外的CO2。
法國跨國公用事業公司法國電力集團（EDF）主導的ConnexITy聯盟與包括Ansys在內的14家公司建立了合作伙伴關系，其共同目標是基于數字技術打造新的應用與服務，以支持核能行業的數字化轉型。了解ConnexITy聯盟如何使用Ansys Twin Builder設計核電廠渦輪發電機的數字孿生，以優化維護和運行。
仿真通過讓工程師能夠更快、更低成本地探索更多氫設計選項，在虛擬環境中設計并測試氫相關技術，可以加速產品上市進程，這對于政府和行業競相實現2050年凈零碳排放的目標至關重要。Ansys技術正在通過提高氫生態系統各階段的性能，以及加速新技術開發以解決成本和規模難題，詳細了解如何使用Ansys多物理場仿真解決方案應對氫能普及的三大挑戰：成本、基礎設施和規模。
可持續能源初創公司Amogy深信，氨是海運和發電等重工業的重要清潔能源。該公司通過氨獨特的屬性，看到了巨大的機遇。
展開 二維材料的研究現狀及未來展望
利用這一性質，我們可以生產催化劑利用太陽能高效率的生產太陽能燃料。然而，由于難以過濾和分離，這些納米級石墨烯顆粒很難有工業級大規模運用。因此科學家把目光投向了薄膜型石墨烯光催化劑的研發。石墨烯薄膜可以通過旋涂法制備，但是很容易造成不均勻膜導致電荷重組增加進而引起較低的光催化活性。日前，Kumar和他的團隊們探索了一種新型的柔性石墨烯薄膜光催化劑材料的開發并在Nature期刊上發表了題為“Highly Improved Solar Energy Harvesting for Fuel Production from CO2 by a Newly Designed Graphene Film Photocatalyst”的成果。Kumar團隊通過CVD法合成石墨烯并將其置于正交雙氯苯，DdIC和sarcosine混合溶液中。混合液在180攝氏度的氬氣環境中靜置7日，隨即在125攝氏度環境中烘干一天并得到目標產物。實驗數據表明，其開發的光催化-生物催化劑集成人工光合作用系統可以大幅度的提高當前的可見光捕捉效率，用于生產高選擇性太陽能燃料。與此同時，他們的設計有效的避免了π電子的聚集，降低了光激發載流子與直接電子(direct electron)重復結合(recombination)的概率，從而實現了優于傳統旋涂法制備材料的太陽能燃料生產效率。除此之外，這一技術還有效改善了單層石墨烯薄膜光催化劑機械強度不足的問題。[2]
圖2 光催化薄膜材料的結構示意圖[2]
2.二維的“鐵電開關”：二碲化鎢（WTe2）層
自2004年發現石墨烯以來，科學家已經成功發現了許多新的二維材料。其中很多材料有很大的潛能推動未來計算機和通信行業的革新。
展開 Nature Energy綜述：太陽能驅動的界面蒸發
太陽能加熱區的快速液體-蒸汽蒸發和放熱區的蒸汽-液體冷凝使得太陽能-熱能的有效熱傳遞能夠用于遠離熱源的加熱應用。
b, 蒸發驅動發電示意圖。太陽能驅動的鹽水界面蒸發產生鹽度梯度，鈉離子(粉紅色點)擴散穿過膜產生電能。
c, 機械能收集示意圖。
d, 太陽能化學燃料生產示意圖。在催化劑的幫助下，二氧化碳和水蒸氣被轉化為碳氫化合物燃料。
【總結】
在過去的幾年里，通過不同學科的共同努力，太陽能驅動的界面蒸發得到了廣泛的研究。雖然太陽能驅動的界面蒸發和提高太陽能-蒸汽能量轉換效率的優勢已經得到了清楚的展示，但是還需要進一步的基礎研究來優化界面處太陽能轉換、能量傳輸、質量傳輸和蒸汽擴散動力學的耦合，以便能夠更深入地理解所涉及的過程，從而獲得更好的性能。一個例子是實現最大化的太陽能-蒸汽轉換效率，而與太陽能濃度無關。為了實現高能量轉換效率，需要進一步減少所探索的蒸發系統中來自高輻射率水的高輻射熱損失。為此，有必要系統研究太陽能吸收器、蒸發結構和絕熱體的微/納米結構設計和表面化學對動態蒸發行為和平衡蒸發性能的影響。開發新的智能蒸發系統，可以在需要的時候運行，并且可以自動調節蒸發速率、蒸汽溫度和蒸汽擴散方向，這可以將它們的應用擴展到其他領域。在這方面，自然生物系統對蒸騰過程的智能調節可以提供充足的靈感。
有利的界面太陽能驅動蒸發使得太陽能蒸汽產生與其他工業過程相結合，探索太陽能的多功能用途。為了擴大這一跨學科領域的機會，需要對局部加熱、流體流動和蒸汽流動如何影響蒸發輔助系統(如光催化水凈化系統)的增強性能進行定量分析和機械理解。還應開發能夠同時將太陽輻射轉化為熱量和催化化學反應的其他太陽能吸收器，例如最近報道的黑色TiO2納米籠、TiOx NPs和Ti2O3 NPs。
展開 【能源創客】GEOSTELLAR——太陽能資源搜索引擎，太陽能市場的GOOGLE
Geostellar的CEO David Levine曾毫不客氣地說，“我們希望成為行業內最大的太陽能資源搜索引擎，太陽能市場的Google”。
Geostellar是能源、互聯網以及大數據生出的一只戰斗雞，在新能源蓬勃發展、大數據應用日漸廣泛和能源互聯網愈演愈烈的今天，這只戰斗雞會飛得更高！其發展模式對已有的、馬上創立的國內“互聯網+光伏”企業也有借鑒意義。
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重慶大學孫立東教授課題組Nano Energy：將太陽能同時轉化為電能和熱能的“太陽能管”
【前言】
太陽能電池是一種將太陽能直接轉化為電能的裝置，其單個pn結電池的理論轉化效率約為31%（Shockley-Queisser limit）；而此類電池對太陽輻照光譜的利用率通常小于50％（主要在紫外和可見光區域），因此單個器件對太陽輻照總能量的利用率小于15％，而大部分能量以熱量的形式耗散。鑒于此，開發高度集成的一體化器件，在光電轉化的同時收集耗散的熱能并進一步利用，是一種提高太陽能整體利用率的有效途徑之一。孫立東教授課題組利用金屬鈦管及表面納米管涂層，設計開發了“太陽能管”，同時實現光電和光熱轉化，獲得了約25.2％的總能量效率。該研究成果為太陽能的高效利用提供了新思路。
【成果簡介】
近日，重慶大學孫立東教授、西南大學張善勇教授（共同通訊作者）等人在Nano Energy發表了題為“A Solar Tube: Efficiently Converting Sunlight into Electricity and Heat”的研究論文。該論文報道了將太陽能同時轉化為電能和熱能的一體化器件：太陽能管。該研究的亮點為：選擇具有等離子體頻率較小的金屬鈦實現將低能量光子向熱能的轉換；利用鈦管表面的納米管陣列消除涂層開裂，并用作電子收集電極；開發了高透明、高導電性、可轉移的PEDOT:PSS/Ag NWs/PEDOT:PSS復合膜，用作管式太陽能電池的透明導電電極。
【圖文導讀】
圖一：太陽能管結構
(a) 太陽輻照光譜；
(b) 典型金屬反射率曲線；
(c) 太陽能管結構示意圖；
(d) 太陽能電池能級圖。
展開 新能源汽車講解丨燃料電池與車用燃料電池(PEMFC)
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南開大學《Adv Mater》：基于MOF的光催化劑實現全解水！
在從化石能源過渡到可再生燃料的過程中，人們對光催化生產太陽能燃料的興趣很大。通過光催化分解水生產氫，由于其在清潔和可再生能源生產中的潛在應用而受到廣泛研究。涉及三個主要過程：光催化水分解過程，包括光收集，光生電子和空穴的分離和遷移，以及光催化劑表面的氫釋放和氧釋放反應。對提高光能利用率和電子空穴分離效率的追求是提高太陽能利用效率的關鍵，這促進了光催化材料的開發和優化。具體來說，有效的電荷分離是整個水分解反應的關鍵因素，這對提高光電化學和光催化反應的性能非常重要。有效的電荷分離和利用是光催化的關鍵因素。
為此，來自南開大學的Jijie Zhang等人在《Advanced Materials》上發表題為“基于金屬-有機骨架的光催化劑，通過空間分離的助催化劑進行優化以實現總水分解”的文章。在此，
證明了氧化和還原助催化劑的完全空間分離提高了電荷分離和表面反應的效力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202004747
具體來說，設計了以Pt和MnOx為助催化劑的Pt @ NH2-UiO-66 @ MnOx（PUM）異質結構光催化劑，以優化NH2-UiO-66光催化劑。與原始NH2-UiO-66，Pt @ NH2-UiO-66（PU）和NH2-UiO-66@ MnOx（UM）樣品相比，PUM樣品具有最高的產氫活性。作為助催化劑，Pt有利于電子的俘獲，而MnOx傾向于聚集空穴， 從NH2-UiO-66生成后，電子和空穴在金屬-有機骨架光催化劑的內部和外部流動，積累在相應的助催化劑上，然后參與氧化還原反應。PUM光催化劑極大地延長了光生電子和空穴的壽命，這有利于電子-空穴的分離。
展開 韓國燃料電池商業化取得重大進展 陶瓷燃料電池亮相
近日，韓國科學和信息通信技術部表示，Jong-Ho Lee博士和Ho-Il Ji博士在高溫能源材料研究中心開發了一種質子陶瓷燃料電池（PCFC），可在漢陽大學Dong Wook Shin教授的幫助下實現商業化。
固體氧化物燃料電池（SOFC）以其高能量轉換效率和使用各種燃料的能力而受到極大關注，并且PCFC尤其成為人們關注的焦點，與傳統SOFC相比，期望在更低的工作溫度下具有高性能。然而，在多孔電極上制造薄而致密的電解質的困難主要源于質子傳導電解質的耐火性質，這阻礙了PCFC的商業化。
KIST研究團隊與漢陽大學的研究團隊合作，提高了PCFC的性能，同時開發了一種以商業化規模生產細胞的方法。在開發過程中，團隊系統地對一個過程進行了方法化，使電解質－電極組件內的電解質熟悉，并降低了生產過程溫度，這是世界首創。
整個過程還采用了微波程序和絲網印刷方法，這些方法由于較高經濟效率，滿足了實際生產。
PCFC厚度為5μm，表面積為5x5cm2的電解質層組成，相較之前性能提高了12倍。由于性能是在實際應用條件下進行的，因此它為燃料電池商業化的可能性提供了明確的證據，得到了專家和行業的廣泛認可。
Jong－Ho Lee博士表示，“研究結果不僅可以應用于簡單的能源生產，還可以應用于燃料生產、保護以及其他各種相關領域和行業，有望成為改善未來可再生能源供應的基石。”
展開 微量氧氣燃料電池傳感器檢測燃料電池式氧氣體分析儀中的氧含量
燃料電池是一種通過使燃料氣體和氧化劑氣體發生電化學反應而將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉換成離子態，再通過電解質的傳遞最終與陽極發生化學反應。反應物之一是樣氣中的氧，另一反應物是存儲在電池中的陽極，綜合反應是樣氣中的氧分子和陽極發生氧化反應，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應類似于燃料電池的反應機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學反應中，陽、陽極之間發生電子遷移，如用導線將共連接，將會有電流產生，該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數量成正比關系，因此只要準確測量出陽、陽極之問的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學能轉換成電能的裝置，一般由陰極、陽極和電解質等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測量微量氧，也可用于測量常量氧(區別在于滲透膜的厚度）。但在測量常量氧時其測量精度和長期使用的穩定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場所。但在測量微量氧時，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優勢，測量下限可達 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應用于專業的高純氣體生產以及對氧含量需精準控制的電子生產廠家等。
事實上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護的。但是在使用過程中，需要經常校準，確保其測試的準確性工采網推薦美國AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開 核燃料產業鏈迎來風口 乏燃料回收利用成必然趨勢
除了核燃料保障供應外，中國在乏燃料大規模處理方面也存在短板。眾所周知的是，在整個核能體系中，乏燃料的后處理是不容忽視的一個環節。乏燃料又稱輻照核燃料，是經受過輻射照射、使用過的核燃料，通常由核電站的核反應堆產生。沒有處理廠，我國商業核電站的乏燃料只能存在水池中，一般核電站的水池設計容量僅能滿足其17年左右的乏燃料總量。
國內機構預測，到2020年，乏燃料累積量將達到7000余噸，2025年累積量將達到14000余噸。同時，乏燃料具有很強的放射性，如果處置不當將引發難以估量的災難。隨著乏燃料在堆貯存水池的逐漸滿容，我國在乏燃料離堆貯存、運輸等方面進行了積極探索。后處理中試廠已完成熱調試工作，驗證了相關工藝和設備，正在進一步完善配套設施，形成生產能力。在此發展背景下，乏燃料管理相關設施建設、設備制造、技術開發、技術服務、原材料生產等領域有強烈的需求和巨大的發展空間。
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