新能源材料

英國研究發(fā)現(xiàn)高效能太陽能電池新材料

英國劍橋大學科學家最新研究發(fā)現(xiàn)了一組非常有前景的混合鉛鹵化物鈣鈦礦材料，他們可以循環(huán)光粒子。這一新發(fā)現(xiàn)開啟了最大化太陽能電池效率之門，將導致用得起的新一代高效能太陽能電池變?yōu)楝F(xiàn)實。

混合鉛鹵化物鈣鈦礦是一種特殊的合成材料，對太陽能領域的發(fā)展具有革命性的影響，科學家們已經(jīng)開展了大量的研究，一旦能夠便宜又簡單地制造這種材料，幾年之內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池將會與目前太陽能板硅片的能源效率幾乎一樣。關于鈣鈦礦能夠優(yōu)化循環(huán)太陽光的研究僅僅是一個開始，太陽能電池通過吸收太陽光子后充電，這一過程反過來也是可行的，因為當電荷重組時，他們又能產(chǎn)生光子，這一研究表明鈣鈦礦太陽能電池具有再吸收這些再生的光子的額外能力，即光子循環(huán)過程。利用循環(huán)光子的能力就能夠相對容易地使電池突破太陽能電池板的能源效率極限。

利用這些材料不僅可以研發(fā)太陽能電池，還可以開展LED的研發(fā)。這項研究主要是由劍橋大學與牛津大學、荷蘭物質基礎研究所共同合作完成的。（科技部網(wǎng)站）

科學家研制“尿轉水”設備 生產(chǎn)肥料和飲用水

來自比利時根特大學的科學家發(fā)明出一臺能夠利用太陽能將尿液變成飲用水和肥料的機器，該技術可用于農(nóng)村地區(qū)和發(fā)展中國家。

根特大學的這一系統(tǒng)利用特殊薄膜，既節(jié)能高效，又可在電網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)使用。

科學家塞巴斯蒂安·德瑞斯表示，僅依靠太陽能和簡單的加工，就可把尿液轉換成肥料和飲用水。他說，整個團隊的目標是將更大型的設備應用到運動場地或機場，以及肥料和可靠飲用水不足的發(fā)展中國家的農(nóng)村地區(qū)。研究人員將尿液收集到大型儲水槽中，利用太陽能進行加熱，之后液體流過特殊薄膜時，會把鉀、氮、磷等成分分離出來，并還原出水。近日，在為期10天的根特音樂戲劇節(jié)上，研究團隊獲得了參加音樂節(jié)的民眾貢獻的尿液。而這些尿液將轉化成1 000L水，并用于制造最受歡迎的比利時特產(chǎn)——啤酒。（中國日報）

我國在南海發(fā)現(xiàn)新可燃冰分布區(qū)“海馬冷泉”

經(jīng)過近4個月的艱苦努力，我國科學家日前已經(jīng)查明了“海馬冷泉”的分布范圍、地形地貌、生物群落、自生碳酸鹽巖及流體活動特征等，取得了海洋地質調查的豐碩成果。近日，國土資源部中國地質調查局在廣州發(fā)布了“海馬冷泉”的最新成果。中國地質調查局副局長李金發(fā)說，“海馬冷泉”是我國首次在南海北部西陸海域發(fā)現(xiàn)的、規(guī)?？涨暗幕顒有岳淙?，相關科研考察成果不僅為進一步的海洋開發(fā)研究打下了堅實基礎，還實現(xiàn)了天然氣水合物資源勘查的突破，同時對氣候環(huán)境、冷泉生命起源科學研究具有重大意義。

據(jù)介紹，“海馬冷泉”位于珠江口盆地西部海域，總體呈東西向條帶狀展布，水深1 350～1 430m，已探查發(fā)現(xiàn)有冷泉活動的區(qū)域約350km2。該“冷泉”是由中國地質調查局帶頭自主研發(fā)的4 500m級非載人遙控潛水器“海馬”號于2015年3月發(fā)現(xiàn)的，故名“海馬冷泉”。

調查顯示，“海馬冷泉”有淺表層富含天然氣水合物、自生碳酸鹽巖大量出露和生物群廣泛發(fā)育3大特點。其中，在“海馬冷泉”區(qū)海底淺表層獲取大量的天然氣水合物樣品，是繼南海北部陸坡神狐海域和珠江口盆地東部海域之后，在新海域找礦的重大突破。這進一步證實了我國管轄海域天然氣水合物分布廣泛，資源潛力巨大。中國地質調查局天然氣水合物工程技術中心當天也在廣州海洋地質調查局正式揭牌成立。據(jù)該中心主任葉建良介紹，中國將于2017年實現(xiàn)南海天然氣水合物試采，該中心的建立旨在加速和保障水合物試采工作順利進行，集中攻克天然氣水合物勘探及開采開發(fā)的國際性核心命題。（新華網(wǎng)）

新型電池纖維素隔離膜問世

為防止電池漏電短路，通常要在電池兩極間涂一層多孔薄膜進行隔離。最近，韓國蔚山國立科技學院研究人員設計了一種纖維素納米墊（c-mat）隔離膜，在一層較厚的大孔聚合物上加了一層薄薄的多孔纖維素，有效解決了傳統(tǒng)電極隔離膜難以兼顧防漏電與離子高效傳輸?shù)拿堋?/p>

研究人員最近發(fā)表于《納米快報》的論文稱，他們開發(fā)的新型c-mat隔離膜上層是較薄的功能化納米纖維，下層是較厚的聚合物。通過微調兩層的厚度，在防漏電和支持離子快速傳輸間實現(xiàn)了精微的平衡：纖維素層微小的納米孔能預防電極間電流泄露；聚合物層較大的孔道作為離子“高速路”支持電荷迅速傳輸。它還有一個重要優(yōu)勢，在60℃高溫下，使用c-mat膜的電池經(jīng)100次循環(huán)后仍保留80%的電量，而同樣溫度下用傳統(tǒng)聚合物隔離層的電池只剩5%的電量。研究人員解釋說，商業(yè)電池內(nèi)鋰鹽和水會發(fā)生副反應，生成錳離子等有害副產(chǎn)品，導致高溫下電量大大損耗。c-mat膜上的納米孔纖維素能與錳離子螯合，阻止它們參與反應，而大孔聚合物層也能捕獲產(chǎn)生錳離子的酸性反應物，所以，一開始錳離子就較少。論文合著者、該校能源與化學學院教授李杉陽說，他們的研究證明了活性纖維素c-mat隔離層能減少錳離子的副作用，改善電池在高溫下的循環(huán)性能，效果超過目前最先進的傳統(tǒng)隔離膜技術。下一步，他們打算改造隔離層，使其能用于鈉離子電池、鋰-硫電池和金屬離子電池等下一代充電電池中。李杉陽預測，用c-mat做隔離膜的下一代高性能電池高溫穩(wěn)定性好，不僅可用在電動車電池、電網(wǎng)儲電系統(tǒng)中，也有望用在海水淡化和重金屬離子監(jiān)測等方面。（科技日報）

科學家研制出1μm厚超薄太陽能電池

韓國科學家研制出靈活到足以環(huán)繞普通鉛筆的超薄太陽能電池。這種柔韌的太陽能電池可為像健身追蹤器和智能眼鏡一樣的可穿戴電子設備供電。近日，研究人員在美國物理聯(lián)合會下屬《應用物理快報》上報告了這一成果。

“我們的太陽能電池厚度在1μm左右?！惫庵菘茖W技術院工程師Jongho Lee介紹說。1μm比一根普通的人類頭發(fā)絲還要薄很多。和最新成果相比，標準的太陽能電池通常會厚上數(shù)百倍。即便是大多數(shù)其他的超薄太陽能電池也要比這厚2～4倍。

研究人員利用砷化鎵半導體制成了這種超薄太陽能電池。他們沒有利用會增加材料厚度的黏合劑，而是將電池直接印制在一種柔性襯底上。隨后，通過在170℃下加壓并熔化一種名為光刻膠且充當了臨時黏合劑的物質最表層，電池被冷焊到襯底電極上。之后，光刻膠被剝離掉，留下金屬和金屬的直接黏合體。金屬底層還充當了反射物，將雜散光子反射回太陽能電池。研究人員測試了這種電池將太陽光轉化成電能的效率，發(fā)現(xiàn)其可與類似的較厚太陽能電池媲美。他們還開展了彎曲測試，發(fā)現(xiàn)這些電池能繞著半徑小至1.4mm的物體彎曲。

與此同時，該團隊對電池進行了數(shù)值分析。研究表明，它們經(jīng)受的應力值僅為3.5μm厚，類似電池的1/4。“較薄的電池在彎曲時更加堅固，但表現(xiàn)相仿，甚至要稍好一些?！盠ee表示。（中國科學）

新型薄膜制成的“半永動機”問世

日本理化研究所宣布，該所相田卓三教授聯(lián)合東京大學的同行日前開發(fā)出以環(huán)境中濕度波動為能源的半永久性驅動薄膜傳動器。為實現(xiàn)社會可持續(xù)性發(fā)展，科學家們正在大力開發(fā)太陽光、風力、地熱等替代化石能源的自然能源轉換和儲存技術。但對移動設備和可穿戴設備來說，開發(fā)出不需插座充電且輕量小巧的動力源極為重要。為實現(xiàn)這種動力源，需要開發(fā)出使用者身邊的能量收集技術。

研究小組發(fā)表在《自然·材料》網(wǎng)絡版的報告稱，他們開發(fā)的薄膜傳動器能感知微小濕度變化并半永久性工作。這種薄膜能夠根據(jù)水分吸收量的變化伸縮，感應濕度變化。此次開發(fā)的薄膜能利用很小的濕度變化做出大且高速的伸縮運動，能感知一般濕度計無法探測的微小濕度變化，從而將局部濕度變化高效轉化為動能。這種薄膜甚至能將影響水分吸收的光和熱等環(huán)境波動轉化為能量。

雖然此前有報告開發(fā)出濕度應答材料，但其屈伸反應慢，且需要非常高的濕度條件，在通常環(huán)境下無法轉化為動能。研究小組使用了不吸收水分的高分子材料薄膜，但在材料部分設計有吸水結構。在制作薄膜時，讓高分子適當排列，實現(xiàn)了吸收極少水分即可做大尺度伸縮運動。研究小組將一部分薄膜鍍金，用水滴周圍發(fā)生的濕度波動作為驅動力，成功開發(fā)出單方向運動傳動器。薄膜可高速應答環(huán)境變化，在強光照射時高速伸縮、跳躍。

該成果對能量收集技術、能量轉化材料的設計具有重要意義。由于實現(xiàn)了薄膜運動能高效轉化電能，具有實際利用價值。（科技日報）

我科學家率先合成高效儲氫材料

從廣東醫(yī)科大學獲悉，該校藥學院教師劉建強博士研究的金屬有機骨架材料在儲氫材料領域取得突破，合成了新拓撲結構的儲氫材料，氫氣儲存能力得到優(yōu)化，大幅提升了材料儲氫效率。相關成果近日發(fā)表在英國皇家化學學會著名期刊《材料化學雜志A》上。金屬有機骨架材料（簡稱MOFs）是近年來發(fā)展迅猛的一種新型具有三維孔結構的高分子材料，是沸石和碳納米管之外的新型多孔材料，在儲氫和超高純度分離開發(fā)中應用前景卓越。而氫能作為氫燃料電池在交通工具中大量應用時，金屬有機骨架材料將起到重要作用，該材料主要應用在氣體儲存、催化、傳感和藥物釋放等領域，具有純度高、結晶度高、成本低、能夠大批量生產(chǎn)、結構可控等優(yōu)點?！癕OFs材料就像房間一樣，孔容積大小像房間面積大小，孔徑大小就像我們進房間的門，門開得寬，氣體進入越多，儲氫量就越多，具有表面積和孔容積較大、孔徑和拓撲結構可調、熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)點。我們研究利用最小的羧酸基元合成了目前世界上第一例具有拓撲網(wǎng)結構的GDMU-2-MOFs材料，揭示了構筑基元的功能化對材料微觀結構和性能的調節(jié)作用，最終實現(xiàn)了對氫氣儲存能力的同步優(yōu)化，儲氫能力大大增加?！眲⒔◤娬f。國際材料領域著名學者、美國加州大學教授M.O基夫評價說，金屬有機骨架材料的合成研究大部分處于計算機虛擬模擬階段，而劉建強能在實操過程中將其合成，十分罕見和難得。（科技日報）

南開大學金屬空氣電池研發(fā)獲突破

金屬空氣電池因其原材料豐富、能量密度高、輕便、安全環(huán)保等優(yōu)點，被稱為21世紀最具開發(fā)前景的綠色能源之一。然而，氧還原催化劑價格高昂，制約了金屬空氣電池在電動汽車等領域廣泛應用。日前，南開大學電子信息與光學工程學院王衛(wèi)超教授、美國休斯敦大學姚彥教授聯(lián)合研究團隊，成功將錳基莫來石材料作為催化劑應用于鎂空氣電池，大幅降低了成本，可在中性電解液中穩(wěn)定工作，其優(yōu)越的催化活性極大提高了鎂空氣電池的效率。這也是莫來石材料首次在氧還原反應中得到應用。

金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。它以空氣中的氧作為正極活性物質，金屬鋅（或鋁、鎂）作為負極活性物質，空氣中的氧氣可源源不斷地通過氣體擴散電極到達電化學反應界面與金屬反應而放出電能?！澳獊硎且活愄沾刹牧?。之前幾乎沒有人想過用它來做金屬空氣電池的催化劑?！蓖跣l(wèi)超說，這一想法源于他4年前所做的一項處理柴油機尾氣中氮氧化物的研究。他在實驗中發(fā)現(xiàn)，在將一氧化氮轉化為二氧化氮的過程中，錳基莫來石材料表現(xiàn)出優(yōu)良的催化效果。該成果2012年發(fā)表于《科學》雜志。“第一，是成本大幅降低。第二，是它更加穩(wěn)定，可以更多次重復反應，這就意味著電池壽命的延長。第三，這是莫來石材料首次在金屬空氣電池中的應用，為莫來石材料在電化學中的新應用開辟了新路?！币┙淌谡f。（天津日報）

“可呼吸”的鈉二氧化碳電池取得突破性進展

近日，南開大學化學學院教授陳軍團隊在利用二氧化碳（CO2）呼吸的可充室溫鈉-二氧化碳電池領域取得突破性進展，相關研究成果以“可充室溫鈉-二氧化碳電池”為題在《德國應用化學》上發(fā)表后，英國皇家化學會《化學世界》以“首次可充的有前途電池技術”為題作了報道。

“可呼吸”電池的初級版本是鋰-氧氣電池：它以金屬鋰作負極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。鋰-氧氣電池的研究是當今新能源領域的熱點和難點，國內(nèi)外許多高校和研究機構都致力于此。陳軍團隊在之前鋰-氧氣電池研究的基礎上，成功研發(fā)出鈉-二氧化碳電池，不僅原料豐富、制備方便，同時，將二氧化碳變廢為寶，實現(xiàn)了資源化利用。

陳軍帶領課題組在鈉-二氧化碳電池的研究中，通過理論計算發(fā)現(xiàn)該電池體系具有高達1 100Wh/kg的理論比能量，并且比其他金屬-二氧化碳電池更容易實現(xiàn)可逆充放電反應。由于其放電時吸收二氧化碳，充電時也釋放出二氧化碳，因此被稱為“可呼吸鈉-二氧化碳電池”。該研究以鈉金屬片為負極，四甘醇二甲醚處理過的多壁碳納米管為正極，構架了一個具有優(yōu)異性能的鈉-二氧化碳電池。室溫下，該電池體系可以循環(huán)200次而無明顯衰減，表現(xiàn)出很好的可逆充放電活性和穩(wěn)定性。在4A/g的大電流密度下仍有4 000mAh/g的可逆比容量，說明此電池具有良好的高倍率放電性能，可實現(xiàn)快速充放電。

陳軍介紹，金屬-氣體電池存在諸多科學技術難題?！暗牵饘?二氧化碳電池具有高比能量、高功率密度等特點，電極活性物質廉價易得，特別是利用二氧化碳作為活性材料產(chǎn)生電能，意味著該電池系統(tǒng)有望在這種溫室氣體富集的地方提供穩(wěn)定的能量源泉?！保ü饷魅請螅?/p>

青島能源所菊芋生物轉化技術取得重要進展

菊芋又名洋姜，屬于非糧作物，其土壤適應性強，可以在干旱、鹽堿等非耕邊際土地種植。菊芋塊莖富含菊糖，菊糖是植物的第二大儲存多糖，僅次于淀粉。淀粉糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已較為成熟，而菊糖的開發(fā)應用有待發(fā)展。以菊糖為糖質平臺，結合現(xiàn)代生物技術，可開發(fā)生物能源、生物基材料、醫(yī)藥、食品等眾多產(chǎn)品。 近期，青島能源所微生物資源團隊聚焦菊糖向能源產(chǎn)品燃料乙醇和功能食品“益生元”低聚果糖的轉化，取得了顯著進展。在前期研究中，該團隊的科研人員建立了菊芋乙醇整合生物加工工藝（Consolidated bioprocess），即將菊糖酶產(chǎn)生、菊糖水解和乙醇發(fā)酵整合為一個過程，實現(xiàn)了直接發(fā)酵菊芋生產(chǎn)燃料乙醇，在40℃下酵母發(fā)酵200g/ L菊芋粉，產(chǎn)乙醇65.2g/L，乙醇得率為79.7%。該團隊通過系統(tǒng)地改造酵母多糖代謝途徑和酶分泌系統(tǒng)等，有效提高了菊芋的轉化效率，發(fā)酵250g/L菊芋粉，產(chǎn)乙醇達到81.8g/L，產(chǎn)率達到3.13g/L/h，轉化率達到92%。

低聚果糖產(chǎn)品主要以蔗糖為原料經(jīng)酶法轉化而來，這種工藝的理論轉化率低于60%，生產(chǎn)高純度低聚果糖需要經(jīng)過純化，增加成本。菊糖可通過菊糖內(nèi)切酶催化產(chǎn)生低聚果糖，但是菊糖內(nèi)切酶活力通常不高，目前沒有廉價的商業(yè)化酶可供使用。上述科研團隊通過在釀酒酵母中表達菊糖內(nèi)切酶，并且消除菌種對菊糖組份的代謝能力，建立了一種通過酵母發(fā)酵生產(chǎn)高純度低聚果糖的簡單工藝。應用該工藝，在40℃下發(fā)酵200g/L菊糖，產(chǎn)生低聚果糖180g/L，并且產(chǎn)率高達7.5g/L/h。（中國科學院青島能源所網(wǎng)站）

中國科學院化學所在燃料電池催化劑研究方面取得系列進展

氧還原反應是燃料電池中的重要反應，其反應動力學緩慢，需要貴金屬作為催化劑，使燃料電池的成本居高不下，嚴重阻礙了燃料電池的商業(yè)化。發(fā)展高性能的非貴金屬氧還原催化劑是燃料電池規(guī)?；褂玫奶魬?zhàn)之一。在科技部、中國科學院和國家自然科學基金委的支持下，中科院化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室胡勁松研究團隊近期在Fe-N-C類非貴金屬氧還原催化劑的設計制備及其高活性機理研究方面取得了新的進展。

研究人員在前期關于燃料電池催化劑的研究基礎上，開發(fā)了一種高活性FeN-C類催化劑。催化劑由多孔碳層包覆的碳納米管組成，同時含有碳層包覆的Fe/Fe3C納米粒子（Fe@C）。電化學測試表明該催化劑在堿性環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)鉑碳催化劑的氧還原性能。進一步的理論計算也表明當Fe-Nx活性位附近含有金屬鐵原子時，F(xiàn)e-Nx活性位的最高占據(jù)軌道升高，與氧分子的p軌道的重疊更容易，有利于氧氣的吸附行為，從而加速了氧還原。基于這些實驗與理論計算結果可表明：高溫熱解產(chǎn)生的Fe@C粒子可以顯著增強Fe-Nx活性位點的氧還原活性，因而使這類Fe-N-C催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原性能。這一新的催化機制可以很好地解釋以往報道中具有相似結構的氧還原催化劑的高活性來源，也為設計與優(yōu)化Fe-N-C類催化劑提供了新的思路。（中國科學院網(wǎng)站）

新能源汽車藍皮書發(fā)布

8月1日，中國汽車技術研究中心與社科文獻出版社等機構共同發(fā)布了《新能源汽車藍皮書：中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2016）》（以下簡稱“藍皮書”），指出在相關政策引導下，我國新能源汽車研發(fā)推廣、技術水平等取得明顯成效。截至去年底，全國新能源汽車產(chǎn)銷累計49.7萬輛，成為全球保有量最大的國家。預計到2020年，新能源車市場規(guī)模將增長近3倍，達到145萬輛。藍皮書指出，目前我國新能源汽車主要包括乘用車和商用車兩大市場，乘用車包括私人家庭、單位和出租租賃等，商用車包括公共交通、市政環(huán)衛(wèi)以及物流等。其中用于公共領域的比例為65%，用于私人領域的占比約1/3，主要來自上海、北京、深圳等汽車限購城市。（北京商報）