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相似文献
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1.
郭维  江雷 《中国科学:化学》2011,(8):1257-1270
自然界中的生命体系经过40多亿年的进化,实现了对能源的高效转换、存储和利用.特别是生物膜上的各类孔道结构在其中起着重要作用.基于仿生智能纳米通道的先进能源转换体系从生物离子通道中获取与能量转换相关的启示(例如,电鳗放电、ATP合成、视网膜、紫膜等),从原理和结构上模仿生命体系中高效能量转换的某一个侧面,通过产能材料的设计和转换器件的组装,实现机械能到电能、光能到电能、光能到化学能等不同能量形式之间的转换.我们综述了目前应用人工合成的纳米尺度孔道结构进行仿生能源转换的三个热点领域:纳米流体动能-电能转换,纳米流体反向电渗析系统和基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系.基于智能纳米孔道的能源转换方法摆脱了传统发电设备所必需的机械转动装置的束缚,在可以预见的范围内,仿生产能器件的效能必将超越已有人工体系,为面向未来的能源技术的创新提供了新思路,新理论和新方法.  相似文献   

2.
张明辉  翟锦 《化学进展》2012,24(4):463-470
智能纳米通道由于独特的纳米结构,导致对离子的通过具有选择性、整流性和门控性,从而在能量转换领域具有重要的应用前景。本文根据能量转换原理的不同,将纳米通道在能量转换中的应用分为:模仿电鳗鱼将化学能转换为电能,模仿绿叶将光能转换为化学能,模仿菌紫质将光能转换为电能,模仿水力发电机将流体机械能转换为电能。其中,模仿电鳗鱼系统由于广泛的能量来源、高的能量转换效率以及输出的能量形式为电能,应用前景最为广阔。能量转换的性能受纳米通道自身的几何结构以及内表面电荷密度的影响。除此之外,还受外界条件的影响,比如电解质溶液类型和浓度,浓差和气压差的大小以及pH值等。  相似文献   

3.
基于电催化过程的可再生和清洁能源的生产、转换和储存技术(如水电解和燃料电池)是缓解全球能源短缺和环境污染问题的有效手段.目前,水电解和燃料电池技术的实际应用缺乏高效、稳定的电催化剂来驱动动力学迟缓的阴极和阳极反应.贵金属纳米晶由于其独特的电子结构和高化学惰性而具有高电催化活性和稳定性.为了提升贵金属纳米晶的本征电催化性能,大量研究聚焦在利用面积效应、晶面效应和不同组分之间的协同效应来调控贵金属的粒径、形貌和化学成分.事实上,贵金属纳米晶的电催化性能也与其表/界面性质密切相关.电催化剂表面的化学功能化可以改变电极/电解质界面结构,从而提高电催化活性和选择性,这对开发新型高效的电催化剂具有重要的理论意义.本文系统介绍了本课题组开发的聚胺(PAM)功能化贵金属纳米电催化剂的合成方法及其在燃料电池和电解池等能源转换装置中的应用,具体包括:通过引入PAM控制反应动力学来调控纳米晶体的结构和形态,构建界面功能化贵金属纳米电催化剂;利用金属表面修饰的PAM分子改变表面催化位点的电子结构、配位环境等物理化学性质来控制反应物和中间体等的吸附行为,从而达到调节催化活性的目的;采用PAM分子来隔离特定活性位...  相似文献   

4.
虞乐建  王苗  侯旭 《化学通报》2020,83(6):482-487,496
如何解决能源危机已经成为全人类亟待解决的重大挑战之一,而日益严峻的环境污染问题更驱使着人们对清洁能源的迫切需求。近年来,研究人员利用微纳加工技术制备不同维度的碳基材料以捕获周围环境所蕴藏的能量,被视为是一种开发可再生清洁能源的有效途径。本文主要从不同的能量利用形式出发,介绍了不同维度的碳材料用于纳米发电器件的研究进展,同时简要阐述了碳材料纳米发电器件在可穿戴器件、传感器等领域的潜在应用。  相似文献   

5.
武烈  姜秀娥 《应用化学》2016,33(12):1343-1354
石墨烯材料在生物领域的蓬勃发展使其纳米生物界面研究已成为纳米生物学研究的热点方向。生物膜是石墨烯材料进入生物体系环境中的第一道屏障,深入理解石墨烯材料与磷脂膜间的相互作用,对于石墨烯基生物材料的功能界面优化设计和生物学效应控制具有极为重要的意义。本文对石墨烯材料进行了简要介绍,系统总结了近几年石墨烯材料与模拟生物膜相互作用的研究进展,并对其研究方向进行了展望。  相似文献   

6.
光伏是解决能源和环境问题的战略性选择之一,目前已开发的太阳能电池均需在太阳光或室内光照射下通过光伏效应激发光生电子并输出电能,而在降雨、夜晚等弱光或无光环境下的输出功率较低,开发应用环境多元化的混合能量采集太阳能电池有望进一步提高输出功率、延长发电时间。本综述旨在探讨混合能量采集太阳能电池中光伏效应与水伏效应、摩擦电效应、储光―发光效应、压电效应和热电效应的耦合机制,重点总结了这类新型太阳能电池的应用现状,展望其未来的发展方向。  相似文献   

7.
虽然原子能的应用近年来有了重大发展,但迄今人类各种活动中耗用的能量仍主要来自化学能。化学能可以直接转变为机械能(目前尚无高效、大功率实用装置),更多地则是采用热机来实现这种转变。除此之外,更大量的化学能是用来“发电”或通过电能这一中间形式再进一步加以利用。因此“化学能→电能”转换具有极重要的意义。  相似文献   

8.
纳米孔道检测技术是一种利用单个分子测量界面实现在单分子水平上测量DNA、RNA、蛋白、多肽等生物分子的高灵敏的单分子检测技术. 由于单个分子与纳米孔道的相互作用受热力学控制,亟需精准控制纳米孔道单分子分析的实验温度. 因此,本文研制了一种低噪音控温系统用于具有皮安级电流分辨的纳米孔道单分子实验,以实现精确调控测量时的环境温度. 该系统利用半导体制冷片的热电效应对检测池环境加热/制冷,通过对高精度热敏电阻进行电磁屏蔽以实现在温度反馈的同时避免噪音的引入. 利用比例-积分-微分算法进行控制,达到高精度快速控温的要求. 该系统控温精度为±1 °C,无额外噪音引入至超灵敏纳米孔道单分子测量,获得了25 °C到5 °C下Poly(dA)5与单个气单胞菌溶素(Aerolysin)分子界面间作用产生信号的差异,应用于研究单分子与纳米孔道相互作用的热力学行为.  相似文献   

9.
<正>受生物膜离子通道结构和功能的启发,人工制备固体纳米孔道门控开关器件一直备受关注[1,2].基于仿生纳米孔道的非对称离子传输性质制备的离子二极管和场效应管装置对于构建离子电路和能量转换的纳米器件至关重要[3,4].然而,仿生制备的固体纳米孔道在离子传输过程中有漏电流的存在,严重影响了固体纳米孔道应用的灵敏度和信噪比[5].针对这一问题,研究者利用DNA分子的特殊识别和自组装的功能特性,相继构筑了基于DNA和纳米孔道的智能响应体系[6,7].但在之前的研究工作中,分[8]  相似文献   

10.
人类对可持续能源的高度重视,使得绿色环保的氢能成为研究热点。能量转换和存储技术(如燃料电池和电解水)可实现氢能源和电力的相互转换,但实现这些技术的前提是需要开发高效稳定的催化剂。结构有序的金属间化合物具有确定的组成和可调控的几何效应和电子效应的优势,已被探索作为能量转换和存储技术的有效电催化剂,金属间化合物表面均匀的活性位点分布也有利于研究催化剂活性和结构之间联系(即构效关系)的理想模型。本综述首先介绍了氢电转换装置催化剂所面临的挑战以及金属间化合物在电催化中的优势,其次从活性和稳定性的角度重点论述金属间化合物在氢电转换装置中的研究进展,最后总结并展望了金属间化合物电催化剂未来的发展前景。  相似文献   

11.
In living organisms, many biological processes are inextricably linked with light, such as the photosynthesis systems and rhodopsin. Hence, construction of light-sensitive biomimetic-nanochannels, which can realize the functions of cells and other membrane structures with high degree of spatial and temporal control, is particularly attractive and challenging. As a cornerstone of light-sensitive nanochannels, the photoresponsive materials are a big family and at their mature stage after several decades of development, which can provide different strategies to construct biomimetic photoresponsive nanochannels. In this review, we mainly summarize the construction and applications of photoresponsive nanochannels on the basis of various photoresponsive materials. The construction of photoresponsive nanochannels can be classified into four categories: photoresponsive inorganic nanochannels based on inorganic-compound-based photonic sensitive materials; photoresponsive organic nanochannels based on organic-compound-based photonic sensitive materials; photoresponsive polymers nanochannel based on photoresponsive polymers materials and potential photoresponsive nanochannels based on other photoresponsive materials. After introducing the construction of photoresponsive nanochannels, the review highlights some of the most recent applications of photoresponsive nanochannels in separation, energy conversion and storage, drug delivery and so on.  相似文献   

12.
在生命体中,很多生物过程都和光息息相关,例如光合作用过程和视觉感受系统等,而这些过程大都由生命体中对光敏感的蛋白质离子通道主导。近年来,受这些蛋白质离子通道的启发,具有光响应性的仿生智能固态纳米孔道广受关注。光响应纳米孔道具有灵活的空间和时间可控性,除了和生命过程息息相关,还在能源存储与转化、药物可控释放和分离等方面显示了巨大的应用前景。本综述主要从材料属性出发阐述光响应仿生智能纳米孔道的构筑和分类,并对其应用进行总结和展望。  相似文献   

13.
李仲秋  吴增强  夏兴华 《电化学》2019,25(3):291-301
纳流控作为一个崭新的研究领域正受到越来越多的关注,并且已被成功应用到纳米尺度分离、生化传感、能量转化等诸多领域. 纳流控的发展与电化学紧密相连,一方面,电化学可以为纳米孔道中的物质传输特性的研究提供驱动力;另一方面,纳米孔道可以为限域电化学研究提供微环境. 纳流控和电化学技术相辅相成,催生了许多单分子、单粒子分析以及纳米流体操控的新理念与新技术. 本综述从纳米孔道与电极的结合方式出发,对纳流控-电化学相关研究进行了总结与展望.  相似文献   

14.
Learning from nature has inspired the creation of intelligent devices to meet the increasing needs of the advanced community and also to better understand how to imitate biology. As one of biomimetic nanodevices, nanochannels or nanopores aroused particular interest because of their potential applications in nanofluidic devices, biosensing, filtration, and energy conversions. In this review we have summarized some recent results mainly focused on the design, construction and application in energy conversion systems. Like biological nanochannels, the prepared smart artificial nanochannels fabricated by ion track-etched polymer membranes and smart molecules show a great potential in the field of bioengineering and biotechnology. And these applications can not only help people to know and understand the living processes in nature, but can also inspire scientists to study and develop novel nanodevices with better performance for the mankind.  相似文献   

15.
Harvesting salinity gradient energy, also known as “osmotic energy” or “blue energy”, generated from the free energy mixing of seawater and fresh river water provides a renewable and sustainable alternative for circumventing the recent upsurge in global energy consumption. The osmotic pressure resulting from mixing water streams with different salinities can be converted into electrical energy driven by a potential difference or ionic gradients. Reversed-electrodialysis (RED) has become more prominent among the conventional membrane-based separation methodologies due to its higher energy efficiency and lesser susceptibility to membrane fouling than pressure-retarded osmosis (PRO). However, the ion-exchange membranes used for RED systems often encounter limitations while adapting to a real-world system due to their limited pore sizes and internal resistance. The worldwide demand for clean energy production has reinvigorated the interest in salinity gradient energy conversion. In addition to the large energy conversion devices, the miniaturized devices used for powering a portable or wearable micro-device have attracted much attention. This review provides insights into developing miniaturized salinity gradient energy harvesting devices and recent advances in the membranes designed for optimized osmotic power extraction. Furthermore, we present various applications utilizing the salinity gradient energy conversion.  相似文献   

16.
With the development of nanotechnology and materials science, bioinspired nanochannels appeared by mimicking the intelligent functions of biological ion channels. They have attracted a great deal of attention in recent years due to their controllable structure and tunable chemical properties. Inspired by the layered microstructure of nacre, 2D layered materials as excellent matrix material of nanochannel come into our field of vision. Bionic nanochannels based on 2D materials have the advantages...  相似文献   

17.
The effects of fluid slippage on the pressure-driven electrokinetic energy conversion in conical nanochannels are systematically investigated in this paper. We present a multiphysical model that couples the Planck–Nernst–Poisson equations and the Navier–Stokes equation with a Navier slip condition to fulfill this purpose. We systematically look into the variation of various performance indicators of electrokinetic energy conversion, for example, streaming current, streaming potential, generation power, energy conversion efficiency, regulation parameter, and enchantment ratio, with the conicity of nanochannels and the slip length for two pressure differences of the same magnitude but opposite directions. Particularly, enhancement ratios related to streaming current, streaming potential, generation power, and energy conversion efficiency are defined to comprehensively measure the enhancement of the performance of electrokinetic energy conversion due to the slip length. The results demonstrate that a combination of large slip length and small conicity enhances the electrokinetic energy conversion performance significantly. Furthermore, the fluid slippage-induced enhancement of the electrokinetic energy conversion in the backward pressure difference mode is stronger than that in the forward pressure difference mode. Our results provide design and operation guidelines for pressure-driven electrokinetic energy conversion devices.  相似文献   

18.
随着能源短缺和环境问题日益突出, 寻找清洁和可再生能源来替代化石燃料是本世纪科学家面临的最紧迫的任务之一. 为了实现我国“双碳”战略目标, 利用太阳能将二氧化碳(CO2)转化为清洁燃料和化学品是实现社会可持续发展的途径之一. 催化剂是CO2光还原技术的核心组成部分, 其可以吸附气态CO2分子, 在可见光照射下将CO2还原为一氧化碳(CO)、 甲酸(HCOOH)、 甲醇(CH3OH)或甲烷(CH4)等能源小分子. 目前, 新型CO2还原光催化体系的开发取得了很好的进展. 本文综合评述了近年来均相及非均相丰产金属卟啉类催化剂在光催化CO2还原中的研究进展, 并对在金属卟啉均相催化剂作用下, CO2光还原为CO或CH4的反应机理分别进行了介绍, 还讨论了金属卟啉基多孔有机聚合物与卟啉有机金属框架在光催化CO2方面的重要应用. 最后, 对可见光驱动卟啉类金属配合物催化的CO2还原的发展前景进行了展望.  相似文献   

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