化学制氢技术研究进展

本文综述了化学制氢技术的新近研究进展.氢能作为一种很有应用前景的载能体,已得到越来越广泛的研究和应用.在化学制氢、电解水制氢、生物制氢这三种制氢模式中,化学制氢仍是近期主要的制氢方式,其中催化重整制氢仍然是大规模制氢的主流.随着燃料电池这一环境友好的发电方式在技术上的不断突破,诸如生物质制氢、金属置换制氢、太阳能制氢、金属氢化物制氢等许多其他的化学制氢技术得到了迅速的发展,并将伴随着燃料电池、氢燃料发动机等技术的发展和应用,一同步入氢能时代.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径（英文）

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO_2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO_3:La,Rh/Au/BiVO_4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO_4和Ta_3N_5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta_3N_5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

中国制氢技术的发展现状

氢能是一种高效清洁的二次能源,在实现“碳中和”目标中起重要作用。随着制氢规模不断扩大、制氢成本不断降低,氢能将有望与电能共同成为二次能源主体,通过氢电互补推动我国能源结构转型、降低碳排放、保障我国能源安全。目前,我国已成为世界第一大产氢国,主要有三类工业制氢路线:化石燃料重整制氢、工业副产氢和清洁能源电解水制氢。依托清洁能源发展起来的其他制氢新技术,如太阳能光解水制氢、生物质制氢、核能制氢等也受到广泛研究和关注。此外,制氢系统组成复杂,建模和优化难度高,人工智能在制氢系统的预测、评估和优化方面表现出独特的优势,受到国际学者的关注。本文结合最新研究进展,对上述制氢路线的发展情况进行了综述,并通过技术成熟度、经济性和环保性比较,结合国情对我国未来氢气供应结构做出展望。同时,本文综述了人工智能在制氢系统中的最新应用进展,以期为我国制氢工艺发展提供新思路。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

金属氧化物两步热化学循环分解水制氢*

金属氧化物两步热化学循环分解水制氢技术集太阳能储备与氢能制备于一体,是当前新能源研究和开发领域的热点之一。本文介绍了该技术制氢原理,综述了其关键材料金属氧化物体系和太阳能反应器的研究进展,分析了制约该技术规模化应用的“瓶颈”因素。最后,对近年出现的基于金属氧化物两步热化学循环分解水制氢的两步蒸汽重整新工艺的原理和金属氧化物材料研究进行了介绍,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

一维硫化镉/二维二硫化钨纳米异质结用于超高活性光催化制氢

基于半导体的太阳能光催化分解水制氢技术是一种环境友好、潜力巨大的绿色氢能制造方案.常用的块体半导体材料一般具有较弱的可见光吸收、快速的光生载流子复合以及较低的光催化制氢效率等缺点.因此,设计开发具有宽光谱光吸收、稳定性好、催化活性高的太阳能光催化材料是促进光催化制氢发展的关键,也是该研究方向的挑战之一.硫化镉纳米材料是...     

自旋电子学-光催化产氢交叉学科研究中的测试表征技术进展

清洁能源的研究和开发为解决化石燃料的日益枯竭问题带来了希望.氢能燃烧热值高,产物零污染,是理想的清洁能源.利用太阳能,通过光催化反应从水中制取氢气,是一条极有发展前景的制氢途径.然而,太阳能光催化制氢的发展受到许多因素的限制,特别是光电子传输过程中的电子-空穴复合及能量损失导致的电子输运效率低以及高的产氢产氧过电位导致水分解过程的势垒增大.自旋电子学的发展,为太阳能光催化制氢中的这些问题提供了解决之道.通过将自旋电子学的思路及原理应用于太阳能光催化制氢,借助自旋输运及电子隧穿可有效提高电子的输运效率,光电子的自旋极化还可降低产氢产氧过电位并抑制副产物的生成.测试表征技术的发展为揭示自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学的内秉机理做出了重要贡献.然而,目前尚无相关文籍对此类测试表征技术的发展进行总结和评述.考虑到这些测试表征技术在自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学研究中的重要作用,对它们进行归纳和总结,评述其发展面临的问题与挑战,探索并合理预测其未来的发展方向.     

自旋电子学-光催化产氢交叉学科研究中的测试表征技术进展（英文）

清洁能源的研究和开发为解决化石燃料的日益枯竭问题带来了希望.氢能燃烧热值高,产物零污染,是理想的清洁能源.利用太阳能,通过光催化反应从水中制取氢气,是一条极有发展前景的制氢途径.然而,太阳能光催化制氢的发展受到许多因素的限制,特别是光电子传输过程中的电子-空穴复合及能量损失导致的电子输运效率低以及高的产氢产氧过电位导致水分解过程的势垒增大.自旋电子学的发展,为太阳能光催化制氢中的这些问题提供了解决之道.通过将自旋电子学的思路及原理应用于太阳能光催化制氢,借助自旋输运及电子隧穿可有效提高电子的输运效率,光电子的自旋极化还可降低产氢产氧过电位并抑制副产物的生成.测试表征技术的发展为揭示自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学的内秉机理做出了重要贡献.然而,目前尚无相关文籍对此类测试表征技术的发展进行总结和评述.考虑到这些测试表征技术在自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学研究中的重要作用,对它们进行归纳和总结,评述其发展面临的问题与挑战,探索并合理预测其未来的发展方向.     

新型二维碳材料——石墨烯在光催化分解水制氢中的研究进展

能源危机和日益严重的环境污染问题是目前人类生存和发展面临的严峻挑战,在化石能源日益枯竭的今天,清洁太阳能的转化、储存和利用成为当前研究的热点.利用太阳能光催化分解水制氢,并将太阳能以氢能的形式储存是解决能源问题最理想     

A method for molecular correlation energy calculations. Application to the determination of dissociation energies of diatomic and polyatomic molecules

A simple and economical method for molecular correlation energy calculations is developed. In this method, the internal part of the correlation energy is calculated by means of a CI in a minimal basis set and the non-internal part (semi-internal and all-external) is evaluated using an original atoms-in-molecule method. It is successfully applied to the determination of dissociation energies of some diatomic (H₂, NH, C₂, CN, N₂, CO, NO, O₂, F₂) and polyatomic (H₂O, N₂O, CO₂, N₃H, CH₂N₂, CH₂CO, C₂N₂) molecules. The results are compared to those obtained using very elaborate variational methods.Aspirant du Fonds National Belge de la Recherche Scientifique.     

Partitioning of atomization energy

The present work provides a technique for partitioning the atomization energy of a molecule into diatomic contributions. The method is largely based on the redistribution of the kinetic energy term in Mayer's energy partitioning and uses free‐atom energies as a reference. The comparison of Mayer's original method, the alternative Ichikawa–Yoshida approach, and the new atomization energy partitioning (AEP) shows that the new approach has advantages in describing trends in diatomic energies in molecules with triple bonds, as well as for hydrogen bonds. The proposed AEP is a viable alternative to Mayer's energy partitioning method. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Int. J. Quantum Chem, 2008     

Interaction energy contours of molecules as probed by a test atom

Potential energy contour curves for some simple molecules interacting with a test atom (a Li atom in the ground state) are calculated by theab initio method. Relative hardness of the repulsive molecular surface is found to be anisotropic. This indicates that the outer boundary surface of a molecule changes its form depending on the extent of applied external forces. The attractive nature of the molecular surface is demonstrated to be local. Surroundings of electronegative atoms having nonbonded electron pairs are found to be attractieve to the test atom having both electron-donating and electron-accepting abilities.     

A representation of the polarization term in the interaction energy between a molecule and a point-like charge

The interaction energy of a molecule M with a point-like charge q can be partitioned into simpler contributions, two of which can be expressed in terms of the charge distribution _M of the sole M. The first term, qV(r), represents the interaction of q with the undistorted charge _M ⁰ of M while the second q ² P(r) gives the additional contributions due to the polarization of _M ⁰ under the influence of the charge q placed at the point r. In this paper we investigate the possibility of getting an inexpensive and sufficiently accurate analytical representation of P(r) over the whole space outside the van der Waals volume of M.     

Synthesis of Imines via Reactions of Benzyl Alcohol with Amines Using Half‐Sandwich (η6‐p‐cymene) Ruthenium(II) Complexes Stabilised by 2‐aminofluorene Derivatives

A new class of half‐sandwich (η⁶‐p‐cymene) ruthenium(II) complexes supported by 2‐aminofluorene derivatives [Ru(η⁶‐p‐cymene)(Cl)(L)] ( L  = 2‐(((9H‐fluoren‐2‐yl)imino)methyl)phenol ( L ¹ ), 2‐(((9H‐fluoren‐2‐yl)imino)methyl)‐3‐methoxyphenol ( L ² ), 1‐(((9H‐fluoren‐2‐yl)imino)methyl)naphthalene‐2‐ol ( L ³ ) and N‐((1H‐pyrrol‐2‐yl)methylene)‐9H‐fluorene‐2‐amine ( L ⁴ )) were synthesized. All compounds were fully characterized by analytical and spectroscopic techniques (IR, UV–Vis, NMR) and also by mass spectrometry. The solid state molecular structures of the complexes [Ru(η⁶‐p‐cymene)(Cl)(L²)], [Ru(η⁶‐p‐cymene)(Cl)(L³)] and [Ru(η⁶‐p‐cymene)(Cl)(L⁴)] revealed that the 2‐aminofluorene and p‐cymene moieties coordinate to ruthenium(II) in a three‐legged piano‐stool geometry. The synthesized complexes were used as catalysts for the dehydrogenative coupling of benzyl alcohol with a range of amines (aliphatic, aromatic and heterocyclic). The reactions were carried out under thermal heating, ultrasound and microwave assistance, using solvent or solvent free conditions, and the catalytic performance was optimized regarding the solvent, the type of base, the catalyst loading and the temperature. Moderately high to very high isolated yields were obtained using [Ru(η⁶‐p‐cymene)(Cl)(L⁴)] at 1 mol%. In general, microwave irradiation produced better yields than the other two techniques irrespective of the nature of the substituents.     

能源转换演示装置的设计

针对高中化学教材中提到的新能源问题,探索设计了可将太阳能转化为电能,电能转化为化学能,化学能转化为电能,电能转化为热能的能源转换演示装置。通过该实验的演示,可以让学生直观地感受到几种能量之间的转化过程,可供教学参考和借鉴。     

Influence of multivalent ions on power production from mixing salt and fresh water with a reverse electrodialysis system

Reverse electrodialysis is a membrane-based technique for production of sustainable electricity from controlled mixing of a diluted electrolyte solution (e.g., river water) and a concentrated electrolyte solution (e.g., sea water). Reverse electrodialysis has been investigated with pure sodium chloride solutions. In practice, however, in most cases also other ions are present in both feed solutions. In the present paper, the effect of multivalent ions on the performance of a reverse electrodialysis stack was investigated. Results show that, besides a higher stack resistance in presence of multivalent ions, especially the presence of multivalent ions in the dilute solution has a lowering effect on the stack voltage. This can be explained by an observed transport of these ions from the diluted electrolyte solution to the concentrated electrolyte solution. In order to prevent or hamper this transport against the activity gradient, monovalent-selective membranes can be used. This shows indeed better results with respect to the stack voltage. Therefore, it would be beneficial to use monovalent-selective membranes in reverse electrodialysis, especially in the case of a relatively high content of multivalent ions in the dilute (i.e., in the first stages of the installation where the sodium chloride content in the dilute is still relatively low).     

Electron impact ionization of amines using crossed electron-molecular beams

Ionization energy functions of triethyl amine, tri-n-propyl amine, N,N-dimethyl-benzenamine and N,N-diethyl-benzenamine, and appearance energy functions of major products of dissociative ionization have been measured using a high sensitivity crossed electron beam-molecular beam apparatus incorporating a quadrupole mass spectrometer and an on-line laboratory computer. The data obtained is useful in understanding the role of dopants in gas laser plasmas.     

太阳能光解水制氢的研究进展

本文概述了利用光催化技术催化分解水制氢的反应机理和研究进展。结合作者的最近研究,重点描述了TiO2及过渡金属氧化物,层状金属氧化物以及某些能利用可见光的光催化材料的结构和光催化特性,阐述了核课题的意义和今后的研究方向。     

Efficient calculation of two-dimensional adiabatic and free energy maps: Application to the isomerization of the C13C14 and C15N16 bonds in the retinal of bacteriorhodopsin

Accurate calculation of potential energy and free-energy profiles along reaction coordinates of biological processes such as enzymatic reactions or conformational changes is fundamental to the obtention of theoretical insight into protein function. We describe here the practical implementation of the Automatic Map Refinement Procedure (AMRP) and two-dimensional Weighted Histogram Analysis Method (WHAM) for efficient computation of adiabatic potential energy and free-energy maps, respectively. Methods for efficiently sampling configuration space with high-energy barriers and for removing hysteresis in the case of periodic reaction coordinates are presented. The application of these techniques to the isomerization of the C13C14 and C15N16 bonds in the retinal of bacteriorhodopsin is described. In dark-adapted bacteriorhodopsin (bR), the retinal moiety exists in two conformers, all-trans and (13,15)cis, with the latter making ≃67% of the population. This experimental free energy difference is reproduced here to within k_BT. ©1999 John Wiley & Sons, Inc. J Comput Chem 20: 1644–1658, 1999