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旧化学过程的新变化可以显着提高能效

金属氧化物(如二氧化钛和氧化锌)表面的化学反应对于将太阳能转化为电能的太阳能电池等应用非常重要。现在,华盛顿大学的科学家们已经发现,这些反应之前未被认可的方面可能是开发更有效的能源系统的关键。

这样的系统可能包括,例如,可以从太阳光线产生更多电力的太阳能电池,或者足够有效用于汽车的氢燃料电池,威斯康星大学化学教授James Mayer说。

“当我们考虑建立一个更好的能源未来时,我们必须开发更有效的方法将化学能转化为电能,反之亦然,”Mayer说道,他在6月8日的“ 科学”杂志上发表了一篇关于这一发现的论文。

历史上,改变金属氧化物表面上分子氧化态的化学反应被视为仅仅是电子的转移。新研究表明,至少在某些反应中,转移过程包括耦合电子和质子。

“研究和制造已经在电子移动但不是原子的模型周围成长,”Mayer说。他说,新论文为某些流程提出了不同的模型,这种观点可能导致新的调查途径。

“原则上,这是实现更高效能源利用的途径。”

将电子转移与质子转移耦合可以帮助减少许多技术中重要的化学反应的能量障碍。例如,使用太阳能来制造诸如氢的燃料需要电子和质子耦合。

新的视角对光催化化学过程也很重要,包括那些用于废水修复或创造自清洁表面的过程,例如工业空气污染严重的建筑物外部。

该研究专注于以十亿分之一米为单位测量二氧化钛和氧化锌的纳米粒子。二氧化钛是最常见的白色颜料,用于油漆,涂料,塑料,防晒剂和其他材料。氧化锌还用于颜料,涂料和防晒剂,以及白色运动胶带,并且还用于制造橡胶,混凝土和其他材料。纳米晶体用于仔细检查材料表面的化学过程。

Mayer表示,这项工作的目标是让那些涉及金属氧化物的各种技术领域的人们以不同的方式思考这些技术的工作方式以及如何提高它们的效率。

他说,这项工作对于找到更有效的方式为未来的汽车提供燃料也很重要。例如,燃料电池通过添加电子和质子将大气氧转化为水。耦合这些添加的电子和质子可以使燃料电池更有效,并允许更换昂贵的材料,如铂。

“化学燃料非常有用,它们不会消失,”梅耶说。“但我们如何在非化石燃料世界中更好地利用它们呢?”