2021年6月22日
利用太阳能以廉价的利用水从水中收获氢气可能有助于更换基于碳的燃料源，并缩小世界的碳足迹。然而，寻找能够提高氢生产的材料，以欧洲杯足球竞彩便它可以经济地与碳燃料经济竞争，尚可是一个不可逾越的挑战。
在一项研究中，宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组报告说，他们已经迈出了一步，通过使用超级计算机寻找可以加速水暴露在光下时氢分离的材料，这一过程被称为光催化。欧洲杯足球竞彩
材料科学与工程副教授Ismaila Dabo说，电能和太阳能都可以用来从水中分离氢，水是由两个氢原子和一个氧原子组成的。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球计算与数据科学研究所(ICDS)隶属于能源与环境研究所，是该研究所共同资助欧洲杯线上买球的教员。利用阳光发电来产生氢——或者电解——反过来，这可能会转化为电力，但在技术上或经济上并不有利。虽然利用太阳能直接从水中产生氢——或光催化——避免了额外的步骤，但研究人员还没有能够以一种与汽油等碳基燃料竞争的方式，直接利用太阳能进行氢转换。
研究人员，谁报告他们的发现能源与环境科学欧洲杯线上买球Dabo说，他们使用了一种叫做“高通量材料筛选”的计算方法，将7万多种不同化合物的名单缩小到6种有希望用于这些光催化剂的候选化欧洲杯足球竞彩合物，当这些光催化剂被添加到水中时，可以实现太阳能制氢过程。
他们检查了材料项目数据库中列出的化合物，是已知和预测材料的在线开放访问储存库。欧洲杯足球竞彩该团队开发了一种识别具有能够使它们适合于氢气生产过程的光催化剂的材料的算法。欧洲杯足球竞彩例如，研究人员研究了理想的能量范围 - 或带隙 - 用于吸收阳光的材料。欧洲杯足球竞彩康奈尔化学教授与HéctorBabruña密切合作;Venkatraman Gopalan，Penn Station材料欧洲杯足球竞彩科学与工程教授;欧洲杯线上买球彭恩州邦特化学教授和雷蒙德·施塔克;他们还看了能有效解离水的材料，以及提供良欧洲杯足球竞彩好的化学稳定性的材料。
“我们相信，我们开发的综合计算-实验工作流可以大大加快高效光催化剂的发现，“y致熊，研究生研究助理和副第一作者。“我们希望，通过这样做，我们将能够降低氢生产的成本。”
Dabo补充说，该团队专注于氧化物——至少由一个氧原子组成的化合物——因为它们可以在合理的时间内使用标准流程合成。这项工作需要跨学科的合作，这对研究团队来说是一种学习经验。
“我发现在这样一个合作项目中工作很有价值，”妮可Kirchner-Hall说，博士生和本文共同作者。“作为专门从事计算材料科学的研究生，我能够使用计算和在宾夕法尼亚州州和其他机构的实验合作者使用计算和与其他机构一起进行共同验欧洲杯线上买球证我们的计算预测的实验合作者来预测可能的光催化材料。”欧洲杯足球竞彩
Dabo表示，其他研究人员对利用太阳能的几种选择进行了几项使用太阳能的选择，并确定了太阳能可以降低氢气产量的价格与汽油竞争。
“他们的基本结论是，如果你能够开发这项技术，你就可以以每加仑汽油1.6美元到3.20美元的成本生产氢，”达布说。“所以，将其与汽油相比，大约需要3美元，如果这是有效的，您可以在理想情况场景中作为一加仑天然气支付大约与1.60美元的价格。”
他补充说，如果催化剂可以帮助提高太阳能氢气生产，这可能导致汽油竞争的氢价格。
该团队依靠Penn State ICDS的咆哮超级计算机计算。根据DABO的说法，计算机代表了加快过程中找到要在特定过程中使用的正确材料的重要工具。欧洲杯足球竞彩这种计算驱动的数据密集型方法可以在艰苦的试验和错误方法中代表效率的革命。
“当托马斯爱迪生想要找到灯泡的材料时，他只是关于太阳下的每一种材料，直欧洲杯足球竞彩到他找到了灯泡的正确材料，”达布说。“我们在这里我们试图做同样的事情，但是在一种方法可以使用计算机加速这一过程。”
他补充说，计算机不会取代实验。
“电脑可以提出关于最有前途的材料的建议，然后你仍然需要做实验研究，”欧洲杯足球竞彩达布说。
达博说，他预计计算机的能力将简化寻找最佳候选人的过程，并大大缩短在实验室设计材料并将其推向市场以满足需求的时间。欧洲杯足球竞彩
研究人员评估了机器学习算法，为可以合成并用作太阳能制氢催化剂的化学物质提出建议。基于这一初步调查，他们建议未来的工作可能专注于开发机器学习模型，以改进化学筛选过程。
DABO还补充说，它们可以看看氧化物外面的化学化合物，以确定它们是否可以作为太阳氢生产的催化剂。
“到目前为止，我们在氧化物——基本上是生锈的金属——上做了一个循环，但还有很多化合物可以制成，它们不是基于氧的，”达博说。“例如，我们可以探索氮气或硫磺的化合物。“
这项研究于2021年3月在网上发布，并于2021年4月1日最终发表。
美国国家科学基金会(NSF欧洲杯线上买球)和美国能源部(DOE)的氢高级水分裂材料联盟支持这项工作。欧洲杯足球竞彩
该团队还包括兰迪亚国家实验室的博士后学者Quinn T.Campbell;朱利安方汉尔，宾夕法尼亚州材料科学与工程研究生;欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球Catherine K. Badding，康奈尔化学的本科学生和Doe Science本科实验室实习生（现在的MIT研究生）;欧洲杯线上买球淮宇王，材料科学与工程研究生;欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球Monica J. Theibault，康奈尔化学的研究生;Iurii Timrov，瑞士ÉcoleGolytechniqueFédéraledeLausanne的博士后学者;Jared S. Mondschein，宾夕法尼亚州化学的研究生;Kriti Seth，宾夕法尼亚州化学研究生;聘请宾夕法尼亚州立议员的研究生;AndrésMolinaVillarino，康奈尔化学的研究生; Betül Pamuk, postdoctoral scholar in physics at Cornell; Megan E. Penrod, undergraduate student in materials science and engineering at Penn State (now graduate student at University of Florida); Mohammed M. Khan, undergraduate student in materials science and engineering at Penn State (now graduate student at KAUST); Tiffany Rivera, NSF Research Experiences for Undergraduates Fellow; Nathan C. Smith, NSF Research Experiences for Undergraduates Fellow; Xavier Quintana, NSF Research Experiences for Undergraduates Fellow; Paul Orbe, NSF Research Experiences for Teachers Fellow; Craig J. Fennie, professor of physics at Cornell; Senorpe Asem-Hiablie, courtesy assistant research professor at the Penn State Institutes of Energy and the Environment; James L. Young, researcher at the National Renewable Energy Laboratory; Todd G. Deutsch, researcher at the National Renewable Energy Laboratory; and Matteo Cococcioni, professor of physics at University of Pavia, Italy.
来源：https://www.psu.edu/