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美研发新太阳能燃料 数分钟可将水分解为氢和氧

http://www.kexue.com 2014-03-12 11:08:55 中国科技网  发表评论


太阳能燃料成为未来能源市场的大趋势

  科学家在寻找便宜、清洁的能源方面取得了很多重大突破:几分钟之内就用海藻制出原油;用塑料购物袋制造柴油;发现了食油微生物等。发电不再是将日光转化为可使用的能源的唯一途径。太阳还可以推动化学反应,生产出氢等化学燃料。

  生产太阳能燃料的困难之处在于,用于获取太阳能的半导体和生产燃料的催化剂的成本都很高。最有效的材料太贵,导致生产出的燃料在价格上无法与汽油竞争。

  但是,现在有一些研究者找到了一种方法,可以用太阳能将水分解为氢和氧,转化率高达1.7%,是目前以氧为基础的光电极系统中转化率最高的。

  威斯康星麦迪逊大学的化学教授Kyoung-Shin Choi用钒酸铋制造出了一种利用电沉积原理的太阳能电池,每克钒酸铋的表面积可以达到32平方米。

  要加快钒酸铋产生能源的速度,就需要用到催化剂。虽然有很多研究团队致力于开发电沉积半导体,也有很多团队在开发水分解催化剂,但是据Choi说,并没有多少人关注半导体与催化剂的结合。

  而且,还有研究者说,可以将塑料购物袋转化为柴油、天然气和其他有用的石油产品。

  这种转化所产生的能源远远超过转化过程所需的能源,从而可以产生柴油等交通燃料,可以与现存的超低硫柴油和生物柴油等混合使用。其他产品,例如天然气、石油精、汽油、石蜡和润滑油等,也可以用购物袋生产。这种生产过程叫做高温分解,是将塑料袋放在无氧室中加热。领导这次研究的伊利诺伊可持续技术中心的高级研究员Brajendra Kumar Sharma说,这种生产方式还有其他用途。

  同时,美国能源部的西北太平洋国家实验室(PNNL)的工程师开发了一种持续的化学过程,将海藻倾倒进去,几分钟后就可以生产出原油。

  位于美国犹他州的生物燃料公司Genifuel拥有这项技术的专利,现在正与一个行业合作伙伴建设实验室来利用这项技术。

  在PNNL开发的这个流程中,海藻粘液中化学反应器的前端倾倒进去。系统启动后,不到一小时就能生产出原油,同时还会产生水和一种含磷的副产品,可以循环利用来种植海藻。

  在经过额外的常规精炼后,用海藻生产的原油可以转化为航空燃料、汽油或柴油。这个过程产生的废水也可以进一步处理,产生可燃气体和钾、氮等物质,这些物质与净化过的水混合后,也可以用来种植海藻。

  杜克大学的研究团队找到了一种更好的方式来制造关节中的人造软骨。整形外科教授Farshid Guilak和医学工程与材料科学助理教授Xuanhe Zhao将两种创新技术结合在一起,找到了一种制造人造组织的方法,兼具天然软骨的强度和柔软度。软骨位于人体的关节处,随着时间的推移,会由于受伤或过度使用而受损,引发疼痛,不再灵活。天然的软骨既强韧又能负重,既光滑又柔软,要用人造材料替代是有很大难度的。

  盐单包菌是一种适应力很强的细菌。它们可以忍受会另大多数生物丧命的高热、高盐、低氧、黑暗和高压的环境。这使它们可以在砂岩深处生存,有利于烃类抽取和碳封存。

  同时,虽然海藻一直被认为是生物燃料的潜在来源,也有几家公司在研究用海藻制造燃料,但是成本相当高昂。PNNL的技术有效地利用了海藻的潜力,采用几种方法降低了用海藻生产燃料的成本。

  PNNL的科学家和工程师们将几个化学步骤整合成了一个连续的流程,从而简化了利用海藻生产燃料的过程。最重要的降低成本的措施是,这个生产流程采用的是湿的海藻。大多数现有的流程都需要把海藻干燥,这既耗费能源,也增加成本。而这个新的流程使用海藻混合液,其中80%到90%都是水。

  虽然还有一些团队在尝试用类似的方法制造生物燃料,但大多数都是每次完成一批。而PNNL的系统是连续运转的,在实验室里所用的设备里,每小时可以处理1.5升海藻混合液。虽然这似乎并不多,但是已经非常接近大规模商业生产的要求了。

  PNNL系统还取消了现在常见的海藻处理流程中用到的步骤,即用乙烷等溶剂从海藻剩余物中提取出富含能源的油。相反,PNNL的团队使用的是全部的海藻,将它们置于高温高压之下,将大部分生物量转化为液体和气体燃料。

  这个系统的产物包括:

  原油,可以被转化为航空燃料、汽油或柴油。根据这个研究团队的经验,海藻中大约50%的碳可以转化为原油中的能源——有时高达70%。

  净化水,可以被循环利用来种植更多的海藻。

  燃料气体,可以燃烧发电,或者经过净化后制造汽车用的天然气。

  氮、磷、钾等营养物——也是种植海藻所需的关键营养物。

  一项关于微生物新陈代谢的分析发现,这些细菌可以利用周围环境中的铁和氮,并循环利用稀有的营养素来满足新陈代谢的需要。

  也许最重要的是,这个团队发现,这些生活在岩石深处的微生物可以使石油中常见的芳香族化合物发生新陈代谢。

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