澳大利亚莫纳什大学Adv. Mater.：利用电子材料将可再生能源转化为肥料和能源载体

【引言】

向不断增长的全球人口提供廉价且容易获得的食品和能源是本世纪可持续发展的巨大挑战之一。越来越清楚的是，世界许多地方（有时是偏远地区）有大量可再生能源，并且以较低的成本开发了可再生能源的技术也很成熟。因此，新出现的挑战是如何以足够的效率和低成本来存储和运输这种能量。在更大的规模上，并且对于长距离运输而言，直接供电和电池存储不是经济的解决方案。人们已经将注意力转向了能量载体的化学形式，包括氢，氨和还原碳化合物。这些可以在使用时直接用作燃料，也可以将载体回收再利用。由于这个原因，“能量载体”通常是优选的，因为它涵盖了广泛的实际操作性。液态能量载体之所以有吸引力，是因为它们提供了凝结相的能量密度，以及固体和气体可能缺乏的易于产生和分配的特性。

【成果简介】

澳大利亚莫纳什大学的科学家在这篇文章中讨论了自己以及其他工作的最新进展。文章重点介绍了该领域的一些挑战性方面，这些方面阻碍了进展，而进一步的关注可能会支持重大突破。作者首先讨论一般的电子材料结构，包括将束缚作为利用均质反应中心固有活性的一种方法（第2部分）。此处考虑的所有还原反应都必须与有效的水氧化反应结合起来，例如水氧气是唯一可以大规模接受的最终可持续的阳极工艺。在第3节中将讨论该重要领域的进展。然后，作者将重点介绍用于氢（第3节）和氨（第4节）合成反应的电催化材料。近年来，电子材料的研究总体上得到了极大的加速，如第5节所述，操作技术的日益普及使操作人员可以“实时”查看在材料上起作用的过程。近年来，量子化学也开始在高水平的材料和高能级细节上对过程进行建模的能力，作者将在第6节中重点介绍该领域的实例和进一步的挑战。该成果以题为“Liquefied Sunshine: Transforming Renewables into Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials”发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.全球水平日照地图

图2.将分子卟啉催化剂束缚到液晶氧化石墨烯上以形成石墨烯骨架或基于石墨烯凝胶的电催化组件

图3.自修复CoFePbO_x电催化剂的显微和电化学分析

图4.NH₃的地区分布

a）九年全球红外大气探测仪（IASI）的平均NH₃分布

b-d）在三大洲的NH₃平均分布的高分辨率图

图5.NRR在Ru/2H-MoS₂复合催化剂上的作用机理

a）由h.c.p.2H-MoS₂超级电池上的Ru117纳米簇的DFT模拟

b）示意图说明Ru/2H-MoS₂如何通过在Ru上吸收N₂和在2H-MoS₂上吸收H⁺来支持NRR

c）NRR的最小能量途径

图6.经典（第一代）和理想（第二代）NRR电催化剂的结合能示意图

【总结】

显而易见，在世界许多偏远地区，可再生能源资源丰富，因此，存储和运输该能源已成为关键挑战。对于通过管道和散货船的长距离运输，液体形式的能量载体是理想的，重点是液态氢和氨。因此，开发用于通过还原电化学产生这些能量载体的高活性和选择性的电催化剂材料已经成为重要的研究领域。在此，作者讨论了用于这些过程的电催化材料领域的最新发展和挑战，包括氢释放反应（HER），氧释放反应（OER）和氮还原反应（NRR）。作者不仅介绍了目前困扰氮还原成氨气的一些错误步骤，还研究了原位/操作数和量子化学研究在新的电子材料发现中可以迅速发挥的作用。

文献链接：Liquefied Sunshine: Transforming Renewables into Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904804.

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