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化學圓桌派:讓世界變得更綠色的化學

2019-07-06 責任編輯:未填 瀏覽數:130 中國水性涂料網

核心提示:提問:幾位教授好,我是催化方向的研究生,我對剛才楊培東先生講到的液態陽光非常感興趣。我想問您合成的催化材料,它在地球甚至在火星上,如果想要大規模部署,是不是仍然存在壁壘?楊培東:這個主要有兩點,我們現

提問:幾位教授好,我是催化方向的研究生,我對剛才楊培東先生講到的液態陽光非常感興趣。我想問您合成的催化材料,它在地球甚至在火星上,如果想要大規模部署,是不是仍然存在壁壘?


楊培東:這個主要有兩點,我們現在在高比表面半導體用的催化劑有兩個。一個是生物催化劑,是一個全細胞的細菌,就是從自然界當中拿回來的細菌,這個是很容易培養的,在我們實驗室,幾十個一批小規模的在做,這個很容易,沒有什么壁壘。另外一個半導體是我們實驗室自己合成的一些金屬催化劑,這部分從選擇性上面,還需要進一步提高,跟生物催化劑還不能比,而且它到大規模的應用,可能距離稍微遠一點,尤其是在二氧化碳轉化上面。所以要大規模應用,應該是先從高比表面的半導體和生物催化劑的一個界面來開始,應該說完全可以做商業化的討論。


包信和:我剛才也有一點沒有聽懂,你說從二氧化碳進入光的催化變成甲酸,光的效率有百分之八到九,這是什么意思?


楊培東:我們通常所說的效率是太陽能轉化成化學能。因為一般來說,比如說太陽能電池,是從太陽能到電能的轉化,基本上硅電池做到20%多。我們通常所說的人工光合作用的全反應,是二氧化碳、水、太陽能轉化成化學品加上氧氣,能量轉化效率就是多少太陽能進去,有多少化學品出來,計算化學能,就可以計算轉化效率。


包信和:這一點是肯定的(百分之)八到九?


楊培東:對,這一點不僅僅是我們實驗室,哈佛的另外一個教授基本也能夠做到。就是能夠做二氧化碳到甲醇、天然氣,能夠做到八個百分點。好像哈佛的一個實驗室,能夠做二氧化碳轉化成丙醇,能夠達到8%-10%的樣子。


包信和:這里面有犧牲劑嗎?(注:犧牲劑,是通過自身損耗來減少其他化學劑損耗的廉價化學劑)


楊培東:我所說的完全是全反應,沒有犧牲劑。因為的確很多實驗室做半反應都會有犧牲劑,用犧牲劑的話基本不能計算轉化效率。


包信和:這個顛覆了我的一些觀點,我想8%-9%(的轉化效率)應該有一些商業化的可能性。


楊培東:生物催化劑我們是在討論商業化。

    


提問請問楊院士,人類是否已經透徹了解了自然界中光合作用的生物機理?另外,光合作用過程中的葉綠素,對于我們基于半導體模擬光合作用有什么指導意義?


楊培東:我們在很多年前,一開始考慮要怎么設計人工光合作用體系時,完全是跟大自然學的。自然界中綠葉里的光合作用,在過去幾十年當中已經摸的比較透徹。我剛才所說的光系統Ⅰ和Ⅱ的雙光子吸收,加上兩個氧化還原的半反應,什么樣的活化中心,這里面都已經摸的很清楚。我們所做的就是學習綠葉植物光合作用,設計高比表面積的半導體,跟兩類催化劑,這兩類催化劑要到實驗室里去摸索。所以應該說,我們現在正在利用我們對自然界的光合作用的理解,來設計人工光合作用體系,這里面還有很多這樣那樣的問題,我們只走了第一步,證明了這是可行的,而且效率還不錯。剛才那個同學所說的商業化,其實有很多這樣那樣的問題。第一,實驗要擴大化,第二,穩定性要增加,第三,選擇性要增加,這里面有一系列問題需要解決,所以我們只不過是在學習自然界光合作用中走了第一步。

    


提問您剛才提到的火星計劃讓我們非常神往,人工光合作用的轉化效率達到了8%到9%,用到了生物催化劑,是細菌,那是不是要考慮細菌能否在火星上面存活的問題?


楊培東:在整個宇航局中心里面我們是一個團隊,我們負責在一個可運行的條件下做人工光合作用。首先,我們知道火星表面的輻射很強,將來人類要在那里生存,輻射要屏蔽,這是一個事情。第二,如果部分不能屏蔽,還要考慮輻射所引起的基因轉變。比如說有一個細菌這次產生的是乙酸,一旦它經過輻射以后基因轉換了,可能就產生了別的東西,這是接下來肯定要考慮的問題。因為從轉換效率跟選擇性來說,現在人工光合體系當中的確是生物催化劑走在前面,所以這是先會被試驗的一個體系。

    


提問我想向鄭老師提一個問題,您剛才說的工作是個非常漂亮的工作,一般鹵素在還原反應中非常容易脫掉,這在有機化學中是一個比較難的問題。如果把您講的這個反應引入到有機化學實驗室,或者引入藥物化學來做,這是一件非常有意義的事情。但我有一點不明確,它的反應條件怎么樣? 


鄭南峰:反應條件都是非常溫和的,一般是在一個大氣壓下,有些甚至是在常溫下,因為我們已經實現了工業化。但是我們可能沒有關注到藥物領域,我們看看能不能讓這些催化劑進入到一些試劑公司,讓大家都可以用。因為目前我們關注的都是大規模的工業運用,一般都是年產上萬噸的公司,我們覺得才比較有價值。當然如果對藥物合成有幫助的話,我們也非常高興看到,事實上我覺得這是一個商業運作的模式,是很好的一個建議,我回去會推推我們團隊,讓他們往這方面去推,這樣的話做有機合成的人也能夠用得上。



提問從我們普通老百姓的電瓶車,到特斯拉的電池用的都是鋰電池,我想了解下鋰電池的環保問題。 


陳立桅:鋰電池是可重復使用的充電電池,充電電池本身的起源就是想讓資源不要只用一次就浪費掉,基礎的理念就是希望能夠更加高效,循環利用材料和電池。


現在鋰電池的技術,一方面在制造過程當中已經越來越綠色環保,在使用過程當中,電池在經過很多次循環以后,它的性能會有所衰減。比如,電動汽車對電池性能的要求比較高,當它衰減到一定程度,不能滿足需求的時候,可以把它替換下來,用在對電池性能要求相對不那么高的場合,比如電網儲能,這種方式叫梯次利用。


最終當它的性能衰減到不能使用的時候,還有材料回收的問題。如果不回收,丟在環境里面,它含有一些過渡金屬,含有一些重金屬,對環境有污染,同時也是對材料的浪費。這方面的技術也是未來電池技術在綠色環保方面的一個重要方向,我不展開細講,感興趣的話,我們可以再深入交流。

 


提問如果把催化劑放在水里,會不會發生爆炸?


包信和:你正好問到我的專業,我是做催化劑的。催化劑不是一個特定的東西,什么叫催化劑?是本來某個化學反應慢一點,加上這個東西以后它可能就快一點,這個東西就叫催化劑。比如,鈉也是催化劑,鈉會把水分解,把鈉放水里面,馬上就會炸起來。鐵粉也是催化劑,很細的鐵粉在空氣中馬上就燒起來。因為鐵的活性特別強,跟氧反應以后產生氧化鐵,氧化鐵會釋放熱量,假如放紙里或桌子上面馬上就會燒起來,反應特別快。所以你講的很對,有些催化劑放在水里,是會炸起來的。

鄭南峰:小朋友這個問題非常好,如果把一個催化劑扔到水里面就能夠爆炸,直接把水變成氫氣和氧氣(來制造氫氣),是非常好的,但水分解是需要能量的。像剛才包老師講的鈉,鈉本身就有很多化學能,所以它就爆了,但是如果催化劑本身只是催化,沒有能量輸入的話,是沒有辦法把水變成氫氣和氧氣的,因為化學鍵的斷裂需要能量。這時,你如果用激光照一下,很有可能給它創造條件,它就有可能爆了,這完全有可能。



提問三位老師好,我是復旦的一個博士生。現在大家為了解決安全問題,都在做全固態電池,還有氫氧燃料電池。我想問一下這兩種電池,哪一種會更快實現應用?


陳立桅:預測未來總是很危險,但是在電池領域里面,未來有兩個研究方向。一個是希望能夠得到更高的能量密度,第二是希望獲得更高的安全性。如果能夠很好地實現全固態鋰電池,它能夠同時解決這兩個問題,而且本身這兩個問題有點像蹺蹺板的兩頭,能量密度高的時候,安全性通常會比較差,所以從這個角度來講,大家對全固態電池給予厚望,它很有可能是未來一個有突破性的方向。但目前在技術上還有很多問題,包括金屬鋰本身的安全性,包括怎么讓離子在固態的介質里面跑得跟在液體里面一樣快。以現在的技術進展來看,比較樂觀的技術人員可能會預測,未來五到十年有可能看到全固態電池真正在市場上的應用。


至于氫氧燃料電池,這個技術也是存在很久了,在一些特定的場合實際上已經有應用,比如在宇宙的探索上。但是很多時候做能源的應用,有一個成本的考慮,大規模地在民用市場上的應用,這方面可能培東有很多經驗。


楊培東:在汽車方面,豐田Miral汽車已經在用氫氧燃料電池,商業化的氫氧燃料電池已經在推廣,但那個技術很老,是在幾十年前發明的,一直存在成本的問題。但作為國家戰略,日本一直在推廣氫能源汽車,豐田Miral 是第一次大規模把氫燃料電池用起來的,很多氫能源汽車在日本都已經在開了。 


鄭南峰:我們國家今年在新能源汽車補貼方面的政策已經發生變化,逐步從鋰電池汽車往氫能源汽車轉變了,這意味著我們可能不是那么排斥燃料電池,也可能是因為看到了這里面的潛力。但這的確對研究催化劑的人提出了很大的挑戰,比如它的兩個反應電極用的是鉑金來作為催化劑,但是全世界的鉑金就只有一個游泳池那么多,所以它的大規模應用很難,我們必須找到相應的替代的催化劑,這是我們需要努力的方向。


包信和:我也稍微補充兩句,自然界并不順著人的想法,并不是你想要的最好的都在這里,有好的,必定有負面的作用在。我們通過科學研究把好的發揮出來,把負面的避免掉。比如氫氧燃料電池,自然界當中是沒有氫氣的,氫氣從哪里來?現在看來就是從水里,通過電解水而來。那么電從哪里來?煤。那么又會產生二氧化碳,這是一個問題。


第二個問題,現在充電樁已經開始有了,如果把路上全變成加氫站,現在還沒有制造這么多,而且氫氣還有危險。我們中國裝氫氣的瓶子,大概是150個大氣壓。一般來說國外大概裝300個大氣壓,現在日本人做的瓶子裝700多個大氣壓,比我們多四五倍。瓶子里氫氣裝的越多,它就走的越遠。南峰之前也講到,要做氫能源汽車,首先要做氫氧燃料電池,這個里面是用貴金屬鉑金來做催化劑的,現在很多科學家說我研究新型催化劑替代鉑金,但是發現它的壽命、性能就沒有鉑金那么好。所以我們,特別是年輕人要知道,沒有哪一樣東西,都是順著我的想法走,它有好的,一定也有壞的。 



提問請問楊教授,即便二氧化碳在火星上能轉化成一部分氧氣,但是火星上存在天然氮元素缺乏的問題,會不會給我們生活帶來一些阻礙或者不便?


楊培東:這個是火星上氮的收集和轉化的問題,火星上氮氣的成分是2%-3%,人類真正需要的總的肥料,只占大氣成分中的少部分。但是最重要的事情,是怎么能夠在科學上證明這是可行的,這是第一步。現在我們還做不到這一點。因為現在我們在地球上做的氮氣轉化,基本是在高溫高壓的狀態來做,但在外太空,必須要在它的氣候條件下來做,所以這是第一步,怎樣把可行性做出來。


但是我們不用擔心火星上面的氮氣會被全部轉化成肥料,以后沒得用了。在地球上也好、外太空也好,將來很多體系會是一個循環體系,碳、氫、氧、氮都是循環的,地球上這么多年來完全是循環系統。地球從誕生到現在,所有的能源都是太陽能,包括現在地底下的東西,百分之百都是太陽能來的。

    


包信和:三位嘉賓也很辛苦,要不要通過這個報告給觀眾講一句話?


楊培東:我覺得最終感受或者目的,就是需要整個社會都來理解現在我們地球所面臨的能源和環境上的重大問題,作為科學工作者來說,我們要完成我們的任務,來解決這樣的問題。但作為一個普通大眾,作為政府來說,需要真正意識到這個問題,大力鼓勵、支持解決這樣的問題。


鄭南峰:我想講的就是無知無畏,不要因為科學問題困難就不去解決,而是在這個過程中能夠比較清楚地知道問題所在,然后迎難而上。對于年輕人,特別是小朋友們,應該保持你們的好奇心,因為未來都是你們的。


陳立桅:這是我第一次參與這樣的科普活動,過程很令人感慨。我們今天講的是化學和材料,其實特別需要科普,因為很多朋友如果不是這個專業的話,會覺得化學化工非常危險可怕,有一種很負面的印象。實際上剛才鄭老師的報告也都提到,楊培東老師的報告更是提到,大家可以看到化學、催化、能源對人類社會多么重要。所以我希望大家尤其是年輕人和小朋友,不要認為“化學”這兩個字很可怕。它是一個普通的,我們可以去學習、可以去研究、可以去提高的一門科學。如果能夠這樣的話,我想我們的目的也就達到了。



包信和:感謝三位主講嘉賓和今天到場的廣大聽眾,我自己也發一個感慨。科學現在到這樣一個程度,實際上跟公眾要有很多的交流。不要把科學搞的很神秘,像今天講的都是跟公眾切身相關的事,而且要是把這個事情講穿了,大家都能夠理解是怎么一回事。所以我認為像墨子沙龍包括其他各種形式的科普都特別好,科學家要花時間來進行科普,要跟社會公眾交流。通過這個交流過程,也能反饋一些問題到科學家這里來,聽眾通過這些交流以后,對科學也有比較好的認識。現在從國家的層面上來講,科學普及包括科學傳播,都是非常重要的事。我也利用這個機會感謝以潘建偉院士為代表的一批與墨子相關的科學家,在積極做推動的工作。這件事情,最終肯定是會有益于社會。





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