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美科学家采用新方法发现可助水转变为燃料的新型材料

  据Nextbigfuture网站2017年3月6日报道,美国能源部伯克利国家实验室和加州理工学院的研究人员经过两年时间发现了更多可用于生成太阳能燃料的新材料。
 
研究背景
 
  作为清洁能源的研究方向,太阳能燃料只通过阳光、水和二氧化碳就可以形成。目前,研究人员正在研究各种可能的目标燃料,其中一种可能就是通过分离水来生成氢。
  每个水分子都由1个氧原子和2个氢原子组成。纯氢具有高度易燃性,这使它成为了一种理想的燃料。如果能够找到一种可以利用阳光将氢从水中分离出来的方法,就可以获得大量再生能源。但问题是,水分子不会简单地仅凭阳光照射就发生分解,因此需要相关催化剂的帮助。
  为获得实用的太阳能燃料,科学家一直在努力研究只利用可见光作为能源就能发生所需化学变化的低成本、高效材料。
 
研究过程
 
  过去40年,研究人员只发现了16个“光电阳极”材料。目前,通过采用一种能够甄别新型材料的高通量(High-throughput)方法,由加州理工学院的约翰·格雷瓜尔和伯克利实验室的杰弗里·倪顿等领导的研究团队发现了12个有应用前景的新型光电阳极。
  以前的材料发现依赖于对单个化合物的频繁试验以评估其在特定应用中的使用潜力。在这次研究中,科学家首先通过挖掘可能有用的化合物材料数据库来整合计算和实验方法,然后用高通量试验快速试验最有前景的材料。
  美国家能源研究科学计算机中心(NERSC)对数百种化合物进行了高通量理论计算,分子工厂的软件和专业经验帮助科学家们分析和掌握最有前景的光电阳极候选材料。
  通过分析材料项目数据库中近200种化合物,科学家发现由钒、氧和第三种元素组成的化合物具有高度可调的电子结构,且带隙在可见光范围内,这一点非常有利于水氧化。
 
研究成果
 
  目前,研究论文已发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。论文称,研究人员探索了174种金属钒酸盐。这些化合物包含有元素钒和氧以及元素周期表中另一种元素的化合物。研究揭示了对这三种元素的不同选择如何产生具有不同性质的材料,并揭示了如何“调节”这些材料的性质以获得更好的光电阳极。
 
研究意义
 
  分子工厂负责人倪顿表示,这项研究最重要的意义不仅在于能够发现一些适于太阳能燃料应用的新型复合物,还在于能够了解这些材料自身基本的电子结构相关情况。
  他还表示,最重要的是,这项研究能够解释材料可调谐性的起源并甄别了个别有前景的钒酸盐光电阳极化合物。
  格雷瓜尔表示,研究团队取得的关键进步是将理论和超级计算机提供的最佳功能与新型高通量实验相结合,从而能够以前所未有的速度获得科学知识。
  整合高通量计算和试验的方法加速了新材料的发现过程,解释了这些化合物的功能起源,也确定了三元金属钒酸盐可作为多产的光电阳极材料将太阳能转化为化学燃料。(申淼)
 
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