可持續(xù)性問(wèn)題引起了人們對(duì)尋找替代能源的濃厚興趣

發(fā)表時(shí)間：2018年2月14日

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可持續(xù)性問(wèn)題引起了人們對(duì)尋找替代能源的興趣，目的是替代我們所熟知和依賴的化石燃料。在過(guò)去的幾年里，許多專家學(xué)者參與了關(guān)于建造風(fēng)車和在建筑物上安裝太陽(yáng)能電池的討論。鑒于我們的環(huán)境狀況與傳統(tǒng)能源相關(guān)的局限性，時(shí)機(jī)似乎已經(jīng)成熟，可以加強(qiáng)這一領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新。

一種特別有吸引力的潛在能源以一種匪夷所思的形式出現(xiàn)：水。如果水可以分解成各自的成分，我們就可以獲得氫能形式的可再生能源。產(chǎn)生氫氣并不是什么新鮮事，但目前的生產(chǎn)方法需要化石燃料作為原始材料。采用水分解將減少我們社會(huì)對(duì)化石燃料的依賴，進(jìn)一步支持可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。更幸運(yùn)的是，太陽(yáng)能可以用來(lái)啟動(dòng)水分解過(guò)程。那么，是什么阻止了氫燃料的廣泛采用以及產(chǎn)生氫燃料的水分解過(guò)程呢？不幸的是，與許多替代能源一樣，該過(guò)程尚未針對(duì)經(jīng)濟(jì)性和效率進(jìn)行優(yōu)化——但新的研究可以讓我們深入了解并改進(jìn)用于水分解的催化劑設(shè)計(jì)。

利用催化劑設(shè)計(jì)進(jìn)行水分解可以解決當(dāng)前工藝問(wèn)題

該研究找到了一種優(yōu)化鉑替代催化劑的方法，鉑通常在水分解過(guò)程中使用。研究人員認(rèn)為，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，二硫化鉬可能是一種更有效的替代品，可以代替昂貴的貴金屬。優(yōu)化二硫化鉬的關(guān)鍵取決于在材料中產(chǎn)生并進(jìn)一步拉緊硫空位。雖然這些應(yīng)變硫空位的確切機(jī)制仍不清楚，但研究表明它們轉(zhuǎn)移電子的速度是以前的四倍[1]。這些發(fā)現(xiàn)為改進(jìn)水分解催化劑的設(shè)計(jì)提供了新途徑。使用金屬氧化物和其他地球上儲(chǔ)量豐富的材料作為催化劑是理想的選擇，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低廉且可再生。雖然我們的社會(huì)對(duì)可再生能源越來(lái)越感興趣，但除非成本低，否則不太可能放棄傳統(tǒng)的化石燃料。不幸的是，在目前的形式下，這些新材料往往有一些缺點(diǎn)，例如光吸收差和載流子遷移率有限[2]。如果能夠改變它們的特性以提高催化劑性能，那么將是一個(gè)很大的福音，也是使氫燃料成為走進(jìn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的第一步。

數(shù)字解決方案可以幫助組織努力改進(jìn)水分解催化劑設(shè)計(jì)

盡管上述研究取得了令人鼓舞的結(jié)果，但設(shè)計(jì)更具反應(yīng)性的催化劑并不是唯一的路。化學(xué)的一個(gè)基本原則是，材料越活潑，就越不穩(wěn)定[3]。不穩(wěn)定的材料有可能更快地降解，使它們不適合工業(yè)和商業(yè)用途，因?yàn)樗鼈兊膲勖^短。在考慮水分解催化劑設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員也需要考慮到這一點(diǎn)。

但是研究人員如何優(yōu)化催化劑以使其具有高反應(yīng)性并延長(zhǎng)其使用壽命？數(shù)字解決方案或許可行。數(shù)字方案對(duì)潛在結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并通過(guò)模擬環(huán)境預(yù)測(cè)其屬性和行為。這種方法不僅可以簡(jiǎn)化催化劑開(kāi)發(fā)過(guò)程，還可以簡(jiǎn)化工作流程。研究人員不必專注于各種各樣的潛在催化劑，而是可以優(yōu)先考慮最有希望的催化劑，從而節(jié)省時(shí)間和金錢。

與水分解催化劑設(shè)計(jì)相關(guān)的另一個(gè)重要方面是合作。例如，二十年前，二硫化鉬首次作為潛在催化劑被提出。如果沒(méi)有之前 40年的研究，想得出最近幾年的研究結(jié)果是不可能的。想象一下管理這些數(shù)據(jù)所付出的努力：共享、組織、搜索和提取有用的見(jiàn)解。在現(xiàn)代世界中，這樣的能力已成為研究機(jī)構(gòu)的必要條件。除了支持建立在數(shù)十年工作基礎(chǔ)上的研究之外，這樣的能力對(duì)維護(hù)當(dāng)今的跨國(guó)組織和伙伴關(guān)系也有很大的好處。

盡管在氫燃料的廣泛采用成為現(xiàn)實(shí)之前，還需要在水分解催化劑設(shè)計(jì)方面投入大量工作，但我們正在朝著這個(gè)未來(lái)穩(wěn)步前進(jìn)。通過(guò)使用正確的工具，能源公司可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行且高效的催化劑。通過(guò)創(chuàng)新和投資，有一天我們或許能夠看到可持續(xù)能源與傳統(tǒng)燃料資源并駕齊驅(qū)的場(chǎng)面。

BIOVIA 提供各種數(shù)字解決方案，專為尋求當(dāng)今具有生態(tài)意識(shí)的世界開(kāi)發(fā)可持續(xù)產(chǎn)品和工藝的公司量身定制。BIOVIA 提供一套完整的流程，支持從事化學(xué)和材料研究組織的各種努力。其解決方案中包含 Materials Studio，這是一個(gè)完整的建模和模擬環(huán)境，使研究人員能夠通過(guò)預(yù)測(cè)新材料的特性和行為來(lái)開(kāi)發(fā)和篩選材料。

公司介紹

東方科軟（北京）科技有限公司成立于2016年10月，主要服務(wù)材料科學(xué)與生命科學(xué)兩大領(lǐng)域的用戶。

公司與達(dá)索深入合作，為客戶提供Materials Studio、Discovery Studio、COSMOlogic、Pipeline Pilot等模擬仿真軟件、技術(shù)咨詢、技術(shù)培訓(xùn)及技術(shù)支持服務(wù)，為材料和藥物的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新提供綜合解決方案。

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參考文獻(xiàn)：

[1] “Kinetic Study of Hydrogen Evolution Reaction over Strained MoS2 with Sulfur Vacancies Using Scanning Electrochemical Microscopy,” March 19, 2016, http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.6b01377

[2] “Functionalized metal oxide nanostructures as catalysts for solar water splitting,” April 22, 2016, http://spie.org/newsroom/6099-functionalized-metal-oxide-nanostructures-as-catalysts-for-solar-water-splitting

[3] “A new mechanism for catalyzing the splitting of water,” March 29, 2016, http://news.mit.edu/2016/new-mechanism-for-catalyzing-splitting-water-0329

*本文譯自達(dá)索官網(wǎng)BLOG，如需查看原文，可點(diǎn)擊“閱讀原文”。