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博主胡德良:邢台学院外语系英语教授,中国译协专家会员,河北省译协常务理事,邢台市译协副会长。爱好翻译,内容涉及宇宙探秘、医疗卫生、家庭保健、生命科学、能源科学、地球科学、环境科学、散文小说和纪实文学等领域。所译文章曾见于《光明日报》、《科技日报》、《健康时报》、《健康报》、《英语世界》、《英语知识》、《科技英语学习》、《科学之友》、《科学与文化》、《世界科学》、《生命世界》等全国各大报刊。博客特色:英汉对照、图文并茂,融趣味性、科学性、知识性为一体。

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太阳能燃料技术向前跨越了两步(图)  

2011-10-02 09:18:58|  分类: 尖端科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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太阳能燃料技术向前跨越了两步(图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客

 A new device absorbs sunlight (blue) and sends that energy to catalysts that split water (green) and generate hydrogen gas (black).一套新装置可以吸收阳光(蓝色部分),向催化剂释放太阳能,而催化剂可以分解水(绿色部分),然后产生氢气(黑色部分)。

Solar Fuels Take Two Steps Forward

by Robert F. Service   胡德良

 Two independent research teams report today in Science that they've taken key strides toward harnessing the energy in sunlight to synthesize chemical fuels. If the new work can be improved, scientists could utilize Earth's most abundant source of renewable energy to power everything from industrial plants to cars and trucks without generating additional greenhouse gases.

 今天,两个独立的研究小组在《科学》杂志上报道:他们在利用太阳能合成化学燃料方面都迈出了关键的一步。如果这些新的研究工作能够改进的话,科学家们就可以利用地球上最丰富的可再生能源,为从工厂到汽车等等一切消耗提供能源,同时不会产生额外的温室气体。

 Today, humans consume an average of 15 trillion watts of power, 85% of which comes from burning fossil fuels such as oil, coal, and natural gas. That massive fossil fuel consumption produces some nasty side effects, including climate change, acidified oceans, and oil spills. These problems are likely to grow far worse in coming years, as worldwide energy use is expected to at least double by 2050.

 现在,人们平均消费15万亿瓦的电能,其中85%来自石油、煤和天然气等化石燃料。大量化石燃料的消耗产生了一些严重的负面效应,包括气候变化、海洋变酸、石油泄漏等现象。随着全世界能源消耗的增加,预计到2050年能源需求至少会翻倍,因而在今后的若干年中上述问题很可能会变得越发严重。

 Renewable power sources, such as solar photovoltaics and wind turbines, aim to fill this demand, and they are making steady progress at providing electricity at ever cheaper costs. But electricity has a key drawback as an energy carrier. It's difficult to store in large quantities, which means it can't be used for most heavy industry and transportation applications, such as flying planes or driving heavy trucks. So researchers have long sought to use the energy in sunlight to generate energy-rich chemical fuels, such as hydrogen gas, methane, and gasoline, that can be burned anytime anywhere. And though they have demonstrated that this goal is possible, the means for doing so have been inefficient and expensive.

 太阳光伏能、风力电能等可再生能源的目标就是要满足这一需求,而且正在取得稳步的进展,力争以更加低廉的成本发电。然而,电作为能源的一种载体有着一个重大的缺点:难以大量储存。这就意味着电不能够应用于多数重工业以及航空和重型卡车等大型运输业中。因此长期以来,研究人员一直在设法利用太阳能来制造富含能量的化学燃料,如氢气、甲烷和汽油等,以便能够随时随地燃烧。尽管研究人员曾经证明这个目标是可以达到的,但是那些制造方法一直是效率低下,而且成本是居高不下。

 That's where the new advances come in. In the first, researchers led by Daniel Nocera, a chemist at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, report that they've created an "artificial leaf" from cheap, abundant materials that splits water into molecular hydrogen (H2) and oxygen (O2), somewhat similar to the way plants carry out the first step in photosynthesis. The leaf consists of a thin, flat, three-layered silicon solar cell with catalysts bonded to both faces of the silicon. When placed in a beaker of water and exposed to sunlight, silicon absorbs photons of sunlight, generating electrons with enough energy to conduct through the silicon.

 在这样的情况下产生了两项新的技术改进。在第一项技术改进中,剑桥市麻省理工学院的化学家丹尼尔·诺塞拉领导的研究人员报道说,他们通过便宜而充足的原料制造出了一种“人造叶子”,这种叶子可以将水分解为分子氢(H2)和分子氧(O2),有点类似于植物在进行光合作用过程中的第一步。叶子是由一块薄薄的、扁平的、分三层的硅太阳电池组成,硅的两面都涂有催化剂。当把硅太阳电池放入一杯水中时,硅就会吸收太阳光子,所产生的电子足可以通过硅来传导。

 The process leaves behind positively charged electron vacancies called "holes" that can also move through the material. The holes migrate to a cobalt-containing catalyst painted on one face of the silicon cell, where they strip electrons from water molecules, breaking them into hydrogen ions (H+), and oxygen atoms. The catalyst then knits pairs of oxygens together to make O2. Meanwhile, the H+ ions migrate to another catalyst on the opposite face of the silicon cell, where they combine with conducting electrons to make molecules of H2. In principle, the H2 can then be stored and either burned or run through a fuel cell to generate electricity.

 这个过程将带有正电的电子空位甩在后面,这种空位被称为“空穴”,空穴也可以通过硅移动。这些空穴迁移到硅电池上涂着含钴催化剂的一面,空穴在这里剥脱水分子中的电子,将水分子分解为氢离子(H+)和氧原子。然后这种催化剂将成对的氧原子结合在一起,形成氧分子。同时,氢离子迁移到涂着另外一种催化剂的硅电池另一面,在这里氢离子跟传导中的电子结合,形成氢分子。从原则上来讲,这种氢产生后可以储存、可以燃烧、也可以通过燃料电池发电。

 In the second study, a team led by chemists Richard Masel of Dioxide Materials in Champaign, Illinois, and Paul Kenis of the University of Illinois Urbana-Champaign, report that they've come up with a more energy-efficient approach to converting carbon dioxide (CO2) into carbon monoxide (CO), the first step to making a hydrocarbon fuel. Other researchers have worked for decades to devise catalysts and the right reaction conditions to carry out this conversion. But converting CO2 to CO has always required applying large electrical voltages to CO2 to make the change. That excess voltage is an energy loss, meaning it takes far more energy to make the CO than it can store in its chemical bonds.

 在第二项研究中,伊利诺斯州香槟市二氧化碳物料公司的化学家理查德·马瑟尔和伊利诺斯大学香槟分校的化学家保罗·凯尼斯领导的一个研究小组报道说:他们已经拿出一个更加高能效的方法,可以将二氧化碳(CO2)转化为一氧化碳(CO),而这是制造碳氢燃料的第一步。为了研制这种转化所需的催化剂和创造合适的反应条件,其他的研究人员已经研究了几十年的时间。但是,要把二氧化碳转化为一氧化碳通常需要为二氧化碳施加高电压,以促成转化。施加高电压是一种能量损失,这意味着制造一氧化碳所需的能量比其化学键中储存的能量要高得多。

 But Masel, Kenis, and colleagues found that when they use a type of solvent for CO2 in their setup called an ionic liquid, it reduces the extra voltage needed approximately 10-fold. Ionic liquids are liquid salts that are adept at stabilizing compounds such as CO2 when they are given an extra negative charge, the first step in converting CO2 to CO. And the Illinois researchers suspect that this added stability reduces the need for applying an external charge to do the job.

 但是,马瑟尔、凯尼斯及同事发现,利用一种二氧化碳溶剂按照一定的配比做成溶液,被称为离子液,然后就可以将所需的额外电压降低近10倍。离子液是液态盐,往其中施加额外的负电荷时,液态盐可以牢固地稳定二氧化碳之类的化合物,这是把二氧化碳转化为一氧化碳的第一步。伊利诺斯的研究人员认为,在转化过程中,二氧化碳稳定性的增加会减少使用外部电荷的必要性。

 "These papers are nice advances," says Daniel DuBois, a chemist at Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, who works on catalysts for both splitting water and reenergizing CO2. But he cautions that neither solves all of their respective issues. The oxygen-forming catalyst in the artificial leaf, for example, remains slow, DuBois says. And the efficiency of the overall leaf is only 4.7% at most, and just 2.3% in its most simplest design. The catalyst in the CO2 system is even slower. But DuBois says that because other researchers in the field now have a good examples of systems that work, they can now focus on designing improved catalysts to speed them up.

 “这些论文都阐述了非常美妙的技术进步,”华盛顿州里奇兰市西北太平洋国家实验室的化学家丹尼尔·杜博伊斯说。杜博伊斯既研究分解水的催化剂,也研究使二氧化碳重新供能的催化剂。然而他警告说,两个研究小组都无法解决各自的全部问题。杜博伊斯说:例如,人造叶子研究项目中形成氧气的催化剂催化作用仍然很慢,那整个叶子的效率最多仅为4.7%,在最简便的设计中效率仅仅为2.3%。二氧化碳系统中催化剂的催化作用就更慢了。但是,杜博伊斯表示,由于这个领域的研究人员已经搞出可以行得通的优秀系统示范,他们现在可以把精力集中于研制改良催化剂上,以便加快系统的反应,提高效率。

   

译自:美国《科学》杂志网站科学此时频道(29 September 2011, 2:01 PM

原著:Robert F. Service

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