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前瞻技術脈動:能源技術(202503)

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科技產業資訊室(iKnow) - 技術發展藍圖研析團隊 發表於 2025年1月24日
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圖、前瞻技術脈動:能源技術(202503)
 
一款受飲水鳥玩具啟發的發電機利用蒸發水為電子設備供電
是否可以先將蒸發能轉化為機械能,再進一步轉化為電能?為實現這一構想,可將兩個摩擦電奈米發電機模組(用於收集機械能)安裝在一個經商用飲水鳥玩具改造而成的飲水鳥引擎的兩側,以構建發電裝置。

Hong Kong Polytechnic UniversitySouth China University of Technology研究團隊發表於《Device》期刊的研究成果指出,該團隊受經典的飲水鳥玩具啟發開發出一種引擎,能高效地將水蒸發能轉化為電能,以供給小型電子設備使用。該裝置產生的能量輸出超過100伏特,遠高於其他從水中產生電能的技術,而且只需使用100毫升的水作為燃料,就可連續運行數天。研究團隊計畫設計一款新的飲水鳥,而不是使用現成商用玩具,以提高將水蒸發轉化為電能的效率。該研究是由Research Grants Council of Hong KongMeituan Green Tech FundNew Cornerstone Science Foundation資助。
參考資料:An electricity generator inspired by the drinking bird toy powers electronics with evaporated water. Science Daily. 2024/03/14.


從夢想到現實:低成本、碳中和的生物燃料終於成為可能
在將植物轉化為燃料的過程中,初始階段,即植物材料的分解,一直是最大的挑戰。透過引入共溶劑增強木質纖維分餾(CELF)這一生物質預處理技術,克服了有效利用木質素這一植物細胞壁的關鍵成分的挑戰。

University of California, RiversideOak Ridge National LaboratoryNational Renewable Energy Laboratory研究團隊發表於《Energy & Environmental Science》期刊的研究成果指出,該團隊透過引入共溶劑增強木質纖維分餾這一生物質預處理技術,克服了有效利用木質素這一植物細胞壁的關鍵成分的挑戰。該創新使先進生物燃料的經濟可行性和碳中和成為可能,相較於傳統的石油燃料和早期的生物燃料生產方法,帶來了顯著的環境和經濟效益。此外,分析結果顯示,CELF生物燃料廠可利用各種生物質原料生產價格具有競爭力的永續航空燃料。CELF生物燃料廠也可生產可再生化學品,具有作為生物塑膠和食品飲料中使用的調味化合物的重要成分的潛力,且有助於從植物生物質中固定碳,防止其作為二氧化碳排放到大氣中。美國能源部已提供研究團隊200萬美元建造小型示範電廠。
參考資料:From Dream to Reality: Low-Cost, Carbon-Neutral Biofuels Are Finally Possible. SciTechDaily. 2024/03/18.


科學家開發雙功能催化劑性能增強技術以降低氫氣成本
目前,水電解技術和二氧化碳捕獲與利用(CCU)等電化學系統通常在兩個電極上分別使用不同的催化劑,這導致氫氣生產的單位成本較高。然而,研究發現,八面體結構的鎳-鉑合金催化劑在氧還原和氧生成反應中的性能超過單一鉑或鎳催化劑的兩倍,顯示出其在降低成本和提升效率方面的潛力。

研究人員開發了一種方法,使用具有八面體結構的雙功能鉑鎳合金催化劑來提高電極的可逆性和耐久性,該催化劑同時表現出氧還原和生成反應。目前,水電解技術和CCU等電化學系統的兩個電極均使用單獨的催化劑,導致氫氣生產的單位成本較高。可以在單一生產過程中合成的雙功能催化劑作為一種可以降低生產成本並提高電化學能量轉換技術的經濟效益的技術而受到關注。雙功能催化劑的問題在於,在每次產生氫氣和氧氣的電化學反應之後,由於電極材料的結構變化,其他反應的性能下降。因此,為了實現雙功能催化劑的商業化,重要的是確保反應後能長時間維持催化劑結構的可逆性和耐久性。結果表明,八面體結構中鎳-鉑相互作用最為活躍,合金催化劑在氧還原和生成反應中的表現是鉑和鎳整體催化劑的兩倍以上。
參考資料:Scientists develop bifunctional catalyst performance enhancement technology to lower the cost of hydrogen production. TechXplore. 2024/03/18.


我們嚴重依賴鋰電池——但替代品越來越多
鋰離子電池的生產需要消耗大量的水和能源,且回收過程相當困難。然而,新興的替代技術可能具備成本更低、環保性更高的優勢,為未來提供更多選擇與可能性。

隨著快速實現汽車電氣化與再生能源的存儲,全球對電池的需求正在激增。惟用於電動車的鋰離子電池很難回收,且需要大量的能源和水來提取,如智利等國家在使用蒸發池提取鋰會產生很高的水足跡,另污染物可能在蒸發過程中釋放到大氣環境中並影響附近的社區;採礦造成的水資源短缺也可能威脅原住民社區的生計,礦區與原住民生活區的重疊也導致了被迫遷移和廢棄祖傳村莊。蒸發法的替代方法是硬岩採礦,例如澳洲的做法,但硬岩開採過程中每開採1噸鋰,就會向大氣中排放約15噸二氧化碳。所以目前已知鋰電池的替代品有:
  1. 鈉離子電池:優點包括轉型為鈉電池的製造很容易,其成本降低又可增加運輸過程中的安全性;缺點是能量密度低、充電循環次數少。
  2. 固態電池:具有較低的可燃性、較高的能量密度和更快的充電週期,但需要擴大規模以產生TWh級的能源。
  3. 鋰硫電池:成分與鋰離子電池相似,但硫的提取過程的資源密集度較低,且可能會用於電網存儲,其能量密度是鋰離子電池的9倍,但充電週期只有 50個週期,因此尚待研發改良以拓展至運具使用。(1741字;圖1)
參考資料:We rely heavily on lithium batteries – but there's a growing array of alternatives. BBC News. 2024/03/20.

 

 
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