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麦肯息讯报告材料第21期
Vol.21,2012
*E-Material
*MetalAlloy
*Organic&Polymer
*CompositeMaterials
*PracticalApplication
*TechNews&NewTech
MCanxixunInformationandNewsService
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Contents
TechNews&NewTech(技术前沿)
Noveltechniquetosynthesizenanocrystalsthatharvestsolarenergy
Onereasonthatsolarenergyhasnotbeenwidelyadoptedisbecauselightabsorbingmaterialsarenotdurable.Materialsthatharvestsolarradiationforenergyoftenoverheatordegradeovertime;thisreducestheirviabilitytocompetewithotherrenewableenergysourceslikewindorhydroelectricgenerators.Anewvideoprotocoladdressestheseissuesbypresentingasynthesisoftwoinorganicnanocrystals,eachofwhichismoredurablethantheirorganiccounterparts.Thearticle,publishedinJournalofVisualizedExperiments(JoVE),focusesontheliquidphasesynthesisoftwonanocrystalsthatproducehydrogengasoranelectricchargewhenexposedtolight."Themainadvantageofthistechniqueisthatitallowsfordirect,allinorganiccouplingofthelightabsorberandthecatalyst,"saystheleadingauthorDr.MikhailZamkovofBowlingGreenStateUniversity.
Zamkov'snanocrystalsareuniquefortworeasons:
theyseparatechargeindifferentwaysduetotheirarchitectures,andtheyareinorganicanddurable.Thefirstnanocrystalisrod-shaped,whichallowsthechargeseparationneededtoproducehydrogengas,areactionknownasphotocatalysis.Thesecondnanocrystaliscomposedofstackedlayersandgenerateselectricity,thusbeingphotovoltaic.Becausethenanocrystalsareinorganic,theyareeasiertorechargeandlesssensitivetoheatthantheirorganiccounterparts.Zamkov'sinorganicphotocatalyticmaterialallowsarechargeablereactionwhenexposedtocheaporganicsolvents,whereasintraditionalphotocatalyticreactionsthecatalystisoftenirreversiblydegraded.Thephotovoltaicnanocrystalscanalsowithstandhigherheatthanthetraditionalphotovoltaiccellsthatdonotdissipateheatwell.
"Wehaveestablishedanewmethodformakingphotocatalyticandphotovoltaicmaterials.Thisisimportantprimarilyasanewstrategyformakingphotovoltaicfilmsthatare100%inorganic,thusproducingamorestablesolarpanel.Itisadesignthatyoucouldreachmarketability,"Dr.Zamkovsays."Itisimportanttohavethesestepsdocumentedinavideoformat,asthesynthesisofthephotocatalyticnanocrystalsandthephotovoltaiccellsarelongprocedureswithdetailedsteps.Itmakesourtechniquemorevisibleandaccessible."
合成能够收集太阳能的纳米晶体的新技术
太阳能还没有被广泛使用的一个原因是因为光线吸收材料的持久性不够强,收集太阳能辐射获得能量的材料通常在经过一段时间之后会变得过热或降解,这也降低了它们在跟例如风能和水电能等的其他可再生能源资源竞争时的生存能力,一个新的录制草案通过两种无机纳米晶体(每一种都要比它们的无机配体持续性更强)的合成解决了这些问题,这篇文章被发表在了JournalofVisualizedExperiments(JoVE)杂志上,它的重点是当暴露到光线中时能够产生氢气或电荷的两种纳米晶体的液相合成,“这项技术的主要优势是它能够使光线吸收器和催化剂进行直接的无机结合,”来自BowlingGreenStateUniversity的首席作者MikhailZamkov教授说道。
Zamkov的纳米晶体很独特的原因有两个:
它们由于自身的构筑能够以不同的方式分离电荷;它们是无机的且具有持久性。
首个纳米晶体是杆状的,这能够使电荷分离后生产出氢气,这种反应被称作光催化反应;第二种纳米晶体是由堆积层组成的,并且能够发电,因此是光电伏打的。
因为纳米晶体是无机的,所以它们更容易进行再充电,并且没有它们的有机配体对热量敏感。
Zamkov的无机光催化材料在暴露到廉价的有机溶液中时会产生一种再充电的反应,而在传统的光催化反应中催化剂通常会不可避免的产生降解,同时,光生伏打纳米晶体还能够比不能很好散热的传统光生伏打电池承受更高的热量。
“我们建立了制造光催化和光生伏打材料的一种新方法,这作为制造100%无机的光生伏打薄膜的一种新方法来说是非常重要的,从而还能够生产出一种更稳定的太阳能电池板,这是一种能够适应市场销售性需求的设计,”Zamkov教授说道,“能够将这些步骤以视频的格式记录下来是很重要的,因为光催化纳米晶体和光生伏打电池的制造过程是具有详细步骤的冗长程序,这也使我们的技术变得更具有可行性。
”
ORNLtechnologymovesscientistsclosertoextractinguraniumfromseawater
FuelingnuclearreactorswithuraniumharvestedfromtheoceancouldbecomemorefeasiblebecauseofamaterialdevelopedbyateamledbytheDepartmentofEnergy'sOakRidgeNationalLaboratory.ThecombinationofORNL'shigh-capacityreusableadsorbentsandaFloridacompany'shigh-surface-areapolyethylenefiberscreatesamaterialthatcanrapidly,selectivelyandeconomicallyextractvaluableandpreciousdissolvedmetalsfromwater.Thematerial,HiCap,vastlyoutperformstoday'sbestadsorbents,whichperformsurfaceretentionofsolidorgasmolecules,atomsorions.HiCapalsoeffectivelyremovestoxicmetalsfromwater,accordingtoresultsverifiedbyresearchersatPacificNorthwestNationalLaboratory.
"Wehaveshownthatouradsorbentscanextractfivetoseventimesmoreuraniumatuptakeratesseventimesfasterthantheworld'sbestadsorbents,"saidChrisJanke,oneoftheinventorsandamemberofORNL'sMaterialsScienceandTechnologyDivision.
ResultswerepresentedAugust21atthefallmeetingoftheAmericanChemicalSocietyinPhiladelphia.
HiCapeffectivelynarrowsthefiscalgapbetweenwhatexiststodayandwhatisneededtoeconomicallyextractsomeoftheocean'sestimated4.5billiontonsofuranium.Althoughdissolveduraniumexistsinconcentrationsofjust3.2partsperbillion,thesheervolumemeanstherewouldbeenoughtofueltheworld'snuclearreactorsforcenturies.
Thegoalofextractinguraniumfromtheoceansbeganwithresearchanddevelopmentprojectsinthe1960s,withJapanconductingthemajorityofthework.OthercountriespursuingthisdreamincludeRussia,China,Germany,GreatBritain,India,SouthKorea,TurkeyandtheUnitedStates.Manyadsorbentmaterialshavebeendevelopedandevaluated,butnonehasemergedasbeingeconomicallyviable.
WhatsetstheORNLmaterialapartisthattheadsorbentsaremadefromsmalldiameter,roundornon-roundfiberswithhighsurfaceareasandexcellentmechanicalproperties.Bytailoringthediameterandshapeofthefibers,researcherscansignificantlyincreasesurfaceareaandadsorptioncapacity.ThisandORNL'spatentpendingtechnologytomanufacturetheadsorbentfibersresultsinamaterialabletoselectivelyrecovermetalsmorequicklyandwithincreasedadsorptioncapacity,therebydramaticallyincreasingefficiency.
"OurHiCapadsorbentsaremadebysubjectinghigh-surfaceareapolyethylenefiberstoionizingradiation,thenreactingthesepre-irradiatedfiberswithchemicalcompoundsthathaveahighaffinityforselectedmetals,"Jankesaid.
Aftertheprocessing,scientistscanplaceHiCapadsorbentsinwatercontainingthetargetedmaterial,whichisquicklyandpreferentiallytrapped.Scientiststhenremovetheadsorbentsfromthewaterandthemetalsarereadilyextractedusingasimpleacidelutionmethod.Theadsorbentcanthenberegeneratedandreusedafterbeingconditionedwithpotassiumhydroxide.
Inadirectcomparisontothecurrentstate-of-the-artadsorbent,HiCapprovidessignificantlyhigheruraniumadsorptioncapacity,fasteruptakeandhigherselectivity,accordingtotestresults.Specifically,HiCap'sadsorptioncapacityisseventimeshigher(146vs.22gramsofuraniumperkilogramofadsorbent)inspikedsolutionscontaining6partspermillionofuraniumat20degreesCelsius.Inseawater,HiCap'sadsorptioncapacityof3.94gramsofuraniumperkilogramofadsorbentwasmorethanfivetimeshigherthantheworld'sbestat0.74gramsofuraniumperkilogramofadsorbent.ThenumbersforselectivityshowedHiCaptobeseventimeshigher.
"Theseresultsclearlydemonstratethathighersurfaceareafiberstranslatetohighercapacity,"Jankesaid.
ORNLresearchersconductedfieldtestsofthematerialattheMarineSciencesLaboratoryofPacificNorthwestNationalLaboratoryinSequim,Wash.,andattheRosenstielSchoolofMarine&AtmosphericScienceandBroadKeyIslandincollaborationwiththeUniversityofMiami.
OthermembersoftheteamincludeYatsandraOyola,ShengDai,RichardMayes,TomonoriSaito,Xiao-GuangSun,CostasTsourisofORNL,andJimBrangandJeffHaggardofHillsInc.ofWestMelbourne,Fla.
ORNL技术使科学家向从海水中提取铀迈进了一步
使用从海洋中收集的铀供给燃料的核反应堆能够变得更具可行性,由于美国能源部橡树岭国家实验室领导的小组所开发出的一种材料。
ORNL的高容量可重复使用性吸附剂和一家佛罗里达公司的大表面区域聚乙烯纤维的结合制造出了一种能够从水中快速、有选择性和经济节约性的提取出稀有且有价值的溶解性金属的材料,这种材料——HiCap——性能要远远超过目前最好的吸附剂,并且它能够使固体或气体分子、原子和离子产生表面滞留,HiCap还能够有效的从水中清除有毒金属,根据西北太平洋国家实验室的研究者所证实的结果。
“我们展示了这种吸附剂能够以比世界上最好的吸附剂快7倍的速率吸收5到7倍多的铀,”ChrisJanke说道,他是发明者之一,同时也是ORNL材料科学和技术部门的一名成员。
这项研究结果被在美国化学学会于8月21日在费城举行的秋季会议上进行了发布。
HiCap有效的缩小了目前存在和商业上提取一些海洋中预计45亿吨的铀所需的财政缺口,尽管溶解性的铀只存在于十亿分之3.2的浓度中,然而,正是这个量就足以为世界上的核能反应堆提供几个世纪的燃料。
从海洋中提取铀的目标开始于20世纪60年代所进行的研究和发展项目,日本在这些项目中起到了主导作用,其他也在追逐这一目标的国家包括俄罗斯、中国、德国、大不列颠、印度、韩国、土耳其和美国,许多吸附材料被进行了开发和评估,但是他们没有发现任何具有商业可行性的材料。
使ORNL材料变得突出的是由小直径圆形或非圆形纤维制成的吸附剂,这些纤维具有较大的表面区域和优秀的机械特性,通过对这些纤维的直径和形状进行修改,研究者能够极大的提高表面区域和吸收容量,这和ORNL申请专利的制造吸附纤维的技术结合在一起产生了一种材料,这种材料能够更快的有选择性的还原金属,并且具有提升性的吸附容量,因而也极大的提高了效率。
“我们的HiCap吸附剂是通过将大表面区域聚乙烯纤维进行电离辐射,然而将这些预辐射的纤维跟与特定金属具有密切联系的化学复合物进行反应而制成的,”Janke说道。
在这个程序完成以后,科学家会把HiCap吸附剂放在含有指定材料(会被快速和优先捕获)的水中,然后,科学家将这些吸附剂从水中清除掉,金属就很容易使用一种简单的酸洗方法被提取出来,最后,这些吸附剂在使用氢氧化钾进行处理之后能够被再生产和再使用。
在和目前最先进的吸附剂进行对比的过程中,我们发现HiCap能够提供更高的铀吸收容量,并且速度更快和选择性更强,根据测试的结果,特别明显的是,在20摄氏度的条件下,HiCap在铀含量达到百万分之六的峰值溶液中吸附容量要提高7倍。
在海水中,HiCap的每千克吸附剂3.94克铀的吸附容量是世界上最好的每千克吸附剂0.74克铀的吸附容量的超过5倍,选择性的数据显示出HiCap的效率值要高7倍。
“这些结果清晰的显示出了更大表面区域的纤维能够表现出更高的容量,”Janke说道。
ORNL研究者和迈阿密大学的同事合作在华盛顿Sequim的西北太平洋国家实验室海洋科学实验室和RosenstielSchoolofMarine&AtmosphericScienceandBroadKeyIsland对这种材料进行场地测试。
这个小组的其他成员包括YatsandraOyola,ShengDai,RichardMayes,TomonoriSaito,Xiao-GuangSun,CostasTsourisofORNL,JimBrang和来自Fla西墨尔本希尔斯公司的JeffHaggard。
FlexibleSnakeArmorCouldInspireAbrasion-ResistantMaterials
Snakesarehighlyspecializedleglessanimals,whichevolvedaround150millionyearsago.Althoughwithoutextremities,theirbodyisexposedtoconstantfrictionforces.ThePhD-studentMarie-ChristinKleinandProfessorStanislavGorbofKielUniversityfoundouthowsnakeskinisadaptedtoleglesslocomotion.Theskinisstiffandhardontheoutsideandbecomessoftandflexibletowardstheinside,independentofhabitat.Biologycouldinspiresystemsinengineeringwithminimizedabrasion.
KleinandGorbarepublishingtheircurrentresultsintheAugust15oftheJournaloftheRoyalSocietyInterface.
Sakesinhabitalll
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