澳大利亞莫納什大學Adv. Mater.：利用電子材料將可再生能源轉化為肥料和能源載體

【引言】

向不斷增長的全球人口提供廉價且容易獲得的食品和能源是本世紀可持續發展的巨大挑戰之一。越來越清楚的是，世界許多地方（有時是偏遠地區）有大量可再生能源，并且以較低的成本開發了可再生能源的技術也很成熟。因此，新出現的挑戰是如何以足夠的效率和低成本來存儲和運輸這種能量。在更大的規模上，并且對于長距離運輸而言，直接供電和電池存儲不是經濟的解決方案。人們已經將注意力轉向了能量載體的化學形式，包括氫，氨和還原碳化合物。這些可以在使用時直接用作燃料，也可以將載體回收再利用。由于這個原因，“能量載體”通常是優選的，因為它涵蓋了廣泛的實際操作性。液態能量載體之所以有吸引力，是因為它們提供了凝結相的能量密度，以及固體和氣體可能缺乏的易于產生和分配的特性。

【成果簡介】

澳大利亞莫納什大學的科學家在這篇文章中討論了自己以及其他工作的最新進展。文章重點介紹了該領域的一些挑戰性方面，這些方面阻礙了進展，而進一步的關注可能會支持重大突破。作者首先討論一般的電子材料結構，包括將束縛作為利用均質反應中心固有活性的一種方法（第2部分）。此處考慮的所有還原反應都必須與有效的水氧化反應結合起來，例如水氧氣是唯一可以大規模接受的最終可持續的陽極工藝。在第3節中將討論該重要領域的進展。然后，作者將重點介紹用于氫（第3節）和氨（第4節）合成反應的電催化材料。近年來，電子材料的研究總體上得到了極大的加速，如第5節所述，操作技術的日益普及使操作人員可以“實時”查看在材料上起作用的過程。近年來，量子化學也開始在高水平的材料和高能級細節上對過程進行建模的能力，作者將在第6節中重點介紹該領域的實例和進一步的挑戰。該成果以題為“Liquefied Sunshine: Transforming Renewables into Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials”發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.全球水平日照地圖

圖2.將分子卟啉催化劑束縛到液晶氧化石墨烯上以形成石墨烯骨架或基于石墨烯凝膠的電催化組件

圖3.自修復CoFePbO_x電催化劑的顯微和電化學分析

圖4.NH₃的地區分布

a）九年全球紅外大氣探測儀（IASI）的平均NH₃分布

b-d）在三大洲的NH₃平均分布的高分辨率圖

圖5.NRR在Ru/2H-MoS₂復合催化劑上的作用機理

a）由h.c.p.2H-MoS₂超級電池上的Ru117納米簇的DFT模擬

b）示意圖說明Ru/2H-MoS₂如何通過在Ru上吸收N₂和在2H-MoS₂上吸收H⁺來支持NRR

c）NRR的最小能量途徑

圖6.經典（第一代）和理想（第二代）NRR電催化劑的結合能示意圖

【總結】

顯而易見，在世界許多偏遠地區，可再生能源資源豐富，因此，存儲和運輸該能源已成為關鍵挑戰。對于通過管道和散貨船的長距離運輸，液體形式的能量載體是理想的，重點是液態氫和氨。因此，開發用于通過還原電化學產生這些能量載體的高活性和選擇性的電催化劑材料已經成為重要的研究領域。在此，作者討論了用于這些過程的電催化材料領域的最新發展和挑戰，包括氫釋放反應（HER），氧釋放反應（OER）和氮還原反應（NRR）。作者不僅介紹了目前困擾氮還原成氨氣的一些錯誤步驟，還研究了原位/操作數和量子化學研究在新的電子材料發現中可以迅速發揮的作用。

文獻鏈接：Liquefied Sunshine: Transforming Renewables into Fertilizers and Energy Carriers with Electromaterials. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904804.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。?

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。