创新
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用蓝藻块修复土壤：一年内遏制荒漠化的创新“生态皮肤”
中国科学家正在进行土壤修复，并开发出能够稳定干旱地区并在短时间内生成生物结皮的生物技术板块。
土地退化的进程在干旱地区找到了一个新的强大技术对手。
一个来自中国科学院的研究团队设计了一种利用蓝藻块进行土壤修复的方法，这是一种预制的“生态皮肤”，可以在短短十二个月内将沙丘转变为稳定且生物活跃的土地，而在自然条件下，这一过程需要几十年才能完成。
人工生物结皮背后的科学
这项由西北生态与资源研究所领导的创新的核心是土壤生物结皮（CBS）。这些是由蓝藻、藻类、苔藓和地衣组成的有机群落，它们在干旱地区充当保护屏障。
与传统的沙固定方法不同，如稻草障碍或化学稳定剂，这些块利用蓝藻分泌细胞外聚合物物质（EPS）的内在能力。
这些物质作为一种天然胶水，将松散的沙粒结合在一起，形成一种能够抵抗风蚀并改善水分保持的结构。
范式转变：从自然等待到技术安装
历史上，这些自然结皮的形成是一个极其缓慢且易受气候条件影响的过程。
中国的技术通过在控制条件下培养的藻类生物技术板块的创建打破了这一限制。这些块像瓷砖或保护“皮肤”一样安装在地面上，消除了传统喷播初期的脆弱性阶段。
现场试验结果表明，这种利用蓝藻块进行的土壤修复在短短一年内实现了与成熟的自然结皮相当的覆盖和稳定性。
除了阻止沙丘的移动，这些块还启动了一个良性循环：增加土壤中的氮和碳固定，促进其他植物物种在中期内能够在该地区定居。
生态影响和未来可行性
该系统不仅以其速度而著称，还以其韧性而闻名。由沙漠环境恢复重点实验室的科学家创建的结构使人工生态系统能够在极端干旱条件下维持，同时恢复关键的生态系统功能。
通过充当物理和生物屏障，大大减少了养分流失，并促进了地下的微生物多样性。
这种“生态皮肤”的实施代表了环境工程的一个里程碑，为面临沙漠化威胁的国家提供了一种可扩展和可持续的解决方案，这一现象影响着全球的粮食安全和气候安全。
液态太阳能：研究人员实现无需外部电力存储和释放氢气
一个科学家小组开发了一种系统，能够捕获、储存和释放液态太阳能，使用的是可获得和商业上可用的材料。
捕获在流体中的能量可以随后以氢气的形式释放出来，无需外部电力。这一发现发表在《Advanced Materials》杂志上，代表了朝着将太阳能转化为便携和适应性资源的关键一步。
系统如何运作
该过程分为三个阶段：捕获、储存和释放。为此，它使用石墨氮化碳，一种作为光催化剂的黄色粉末，以及钨酸铵，一种像小型可充电电池一样储存电子的钨和氧化合物。
这两种材料在水中与少量甲醇混合，甲醇起着重要作用：吸收光与氮化碳相互作用产生的正电荷，防止电子过快复合并允许其保留。
当将石墨氮化碳暴露于蓝光下时，会产生电子和空穴对。电子迁移到钨酸铵的钨簇中，在那里被储存。这一现象在液体颜色的变化中得到体现：从淡黄色变为深蓝色，表明钨原子的电荷状态从+6减少到+5。
在黑暗中生产氢气
为了以氢气形式释放储存的能量，研究人员在无光条件下向溶液中添加了碳载铂催化剂。铂作为反应位点，储存的电子与水中的质子结合形成氢气。这样，太阳能捕获、储存和氢气生产可以在不同时间进行，无需持续连接。
在实验室测试中，经过一小时的光照，系统在黑暗中产生了13.5微摩尔的氢气。最大速率达到每克每小时3,220微摩尔，这是未照明光催化系统的记录。在实际太阳光下，也取得了成功的结果，速率为每克每小时954微摩尔，无需外部电力。
机制确认
高级研究验证了这一过程：光发射测试显示电子因储存而得以保留；光谱分析证明了钨原子的还原；磁性测量仅在光照后检测到这些状态。
作者总结道：“该系统展示了将太阳能以电子形式储存的显著效率”。
潜力与挑战
该技术开辟了将在阳光充足地区捕获的太阳能以液态形式运输到辐射较少地区的可能性，无需电缆、电池或专门的氢气储存设施。如果能够让储存的电子在数周内保持稳定而不仅仅是数小时，太阳能可以在国际间分配，并在需要时转化为燃料。
然而，仍然存在重要挑战：该系统依赖于甲醇作为关键成分，并且尚未在实验室外的长时间内测试其功能。
将太阳能转化为真正便携和可获得的资源的过程越来越近。此进展证明了在没有外部电力的情况下以液态形式储存和释放太阳能为氢气的可能性，使科学在向可能彻底改变全球能源转型的实际应用迈进了一步。
对抗污染：日本开发出可在数小时内溶解于海洋的植物塑料
日本的一组科学家展示了一种植物来源的塑料，它可以在数小时内完全溶解于海水中，不留下任何固体残留物或持久的微塑料。
这一进展由相田卓三领导，来自RIKEN 物质科学中心，直接针对日常包装，尤其是那些通常逃避废物管理系统的包装。
材料背后的创新
起点是纤维素，地球上最丰富的天然聚合物。研究人员使用了羧甲基纤维素，一种已经工业化生产的衍生物。
关键在于应用离子聚合，这一过程允许在水中形成塑料，室温下且不使用刺激性溶剂。
材料通过离子桥结合在一起，这是一种在相反电荷之间的临时静电连接。在海水中的钠和氯化物存在下，这些连接变弱，塑料溶解为可溶性成分。
为了避免过早发生这种情况，加入了一层非常薄的屏障涂层，确保其正常但非永久的使用寿命。
特性和应用
最初的版本是刚性和脆弱的，因此添加了氯化胆碱作为增塑剂。通过调整配方，材料可以表现为刚性薄片或柔性薄膜。
在机械测试中，一些版本达到了130%的伸长率，与轻型包装兼容。还生产了厚度为0.07毫米的透明薄膜，类似于传统塑料。
为了证明其实用性，团队制造了一个轻便的袋子，能够在不破裂的情况下运输西红柿。这种包装是主要的海洋污染源之一，因此解决这一点具有重大影响。
与其他生物塑料的区别
最大的创新在于材料不会逐渐碎裂，而是分子解离，阻止了微塑料的形成。一旦溶解，所有表面都暴露出来，加速了在固体材料中需要数年时间的自然化学反应。
此外，该系统是闭环可回收的：溶解的成分可以通过添加电解质重新结合，从而无需使用新的原材料即可再次制造相同的材料。
挑战和前景
快速溶解于海洋中并不是目标。这是一个安全网，而不是管理模式。为了使回收有效，需要收集系统以防止材料的分散。
许多标记为可堆肥的生物塑料仅在工业设施中降解，而在海洋中可能几乎保持不变数年。在这里，触发因素是盐度，这也在潮湿的垃圾填埋场或盐碱土壤中打开了降解场景。
基于水且不使用刺激性溶剂的制造过程减少了塑料工业的部分环境影响，尽管仍需能源用于干燥和加工。扩大这种材料的生产需要稳定的供应链、一致的工业流程以及适应现实的废物管理法规。
植物塑料的未来
如果能够成功扩大生产，这种植物塑料可能提供一种不常见的特性：在使用期间的耐用性和管理系统失效时的快速消失。其主要贡献是避免微塑料在海洋生态系统中的积累，减少对动物、沉积物和食物链的压力。
使用植物原料和水性工艺减少了对化石资源和刺激性化学品的依赖，提供了一种更可持续的替代方案。在沿海、旅游或农业环境中，轻型包装的丢失很常见，这种材料可以成为一种环境缓冲器，在预防措施不足时限制损害。
日本研究人员通过重大技术突破将太阳能制氢效率提高一倍
研究人员来自东京科学研究所在太阳能制氢方面取得了一项里程碑，通过一种能够捕捉长波可见光的敏化光催化剂将效率提高了一倍，达到800纳米。这一波段的光谱，即使在阴天也丰富且稳定，而传统系统对此利用不足。
该研究发表在ACS Catalysis，直接指向所谓的人工光合作用的历史瓶颈之一。
人工光合作用的挑战
利用太阳能从水中制取氢气是一个清洁而优雅的过程：无排放、无燃烧、无碳。它基于光催化剂，这些材料吸收光子并利用能量将水分解为氢气和氧气。
问题在于，大多数传统催化剂仅利用有限的太阳光谱，主要是高能可见光，而忽略了红外和近红外辐射，这在实践中是最稳定的。
锇替代钌
由前田和彦教授和研究员山本春香领导的团队决定修改一个关键元素：光敏化剂复合物的中心金属。取代只能吸收至600 nm的钌，引入了锇。
这一变化使得能够捕捉更长的波长，接近800 nm，在那里太阳辐射丰富且不太依赖理想条件。
锇引入了所谓的重原子效应，这有助于低能电子跃迁，特别是单线态-三线态跃迁。
这些跃迁允许用能量较低的光子激发电子，增加可用于推动氢气生产反应的电子数量。结果：与基于钌的系统相比，效率提高了一倍。
实际影响
除了技术数据外，这一进展回应了一个实际需求：太阳光并不总是直接或完美的。在城市、高纬度地区或阴天，漫射辐射仍然存在，尤其是在长波长。
能够在这些条件下工作的光催化剂可以每天在更多地方运行更长时间，并且对方向或极端清洁的依赖性更小。
这开启了新的场景：本地氢气生产、城市立面和屋顶的整合，或与传统光伏系统的混合使用，利用今天未充分利用的光谱区段。
限制与未来
这一进展并不意味着立即的革命。锇是一种稀有且昂贵的金属，仍需努力优化稳定性、成本和可扩展性。然而，它代表了实验室与现实世界之间的桥梁，表明提高效率并不总需要更复杂的系统，而是更好设计的材料。
太阳能氢气作为能源载体
用太阳能生产的氢气是脱碳的关键。它作为储存可再生能源过剩的能源载体，减少对化石燃料的依赖，并允许脱碳难以电气化的行业，如重工业和运输。
其应用包括：
能源储存：将太阳能的间歇性转化为可用能源并稳定电网。
清洁工业：在钢铁、水泥、氨和甲醇等过程中替代煤炭和天然气。
可持续运输：通过燃料电池为车辆供能，实现零排放。
发电：用于固定和便携应用的燃料电池。
合成燃料：可以精炼以生产可再生替代品。
与化石燃料相比，其优势显而易见：零排放、可持续性和多功能性。
日本团队的工作表明，扩大人工光合作用的有效光谱具有实际且可测量的影响。虽然不能解决所有障碍，但它在通往低碳经济的道路上放置了一个关键的拼图，使太阳能氢气技术更接近于实际和日常使用。
日本研究人员通过重大技术突破实现太阳能制氢效率翻倍
研究人员来自东京科学研究所在太阳能制氢方面取得了一个里程碑，通过一种能够捕捉长波可见光的敏化光催化剂将效率提高了一倍，达到800纳米。这一波段的光谱，即使在阴天也丰富且稳定，但传统系统很少利用。
该研究发表在ACS Catalysis，直接指向所谓的人工光合作用的历史瓶颈之一。
人工光合作用的挑战
利用太阳能从水中制取氢气是一个清洁而优雅的过程：无排放、无燃烧、无碳。它基于光催化剂，这些材料吸收光子并利用这种能量将水分解为氢气和氧气。
问题在于，大多数传统催化剂仅利用有限的太阳光谱，主要是高能可见光，而忽略了红光和近红外辐射，这在实际中是最恒定的。
锇代替钌
由前田和彦教授和研究员山本春香领导的团队决定修改一个关键元素：光敏化复合物的中心金属。取代只能吸收至600 nm的钌，引入了锇。
这一改变使得能够捕捉更长的波长，接近800 nm，在那里太阳辐射丰富且对理想条件的依赖性较小。
锇引入了所谓的重原子效应，这有助于低能电子跃迁，特别是单线态-三线态跃迁。
这些跃迁允许用较低能量的光子激发电子，增加了可用于推动氢气生产反应的电子数量。结果：与基于钌的系统相比，效率提高了一倍。
实际意义
除了技术数据外，这一进展满足了一个现实需求：太阳光并不总是直接或完美的。在城市、高纬度地区或阴天，漫射辐射仍然存在，尤其是在长波长。
能够在这些条件下工作的光催化剂可以每天在更多的地方运行更长时间，并且对方向或极端清洁的依赖性较小。
这开辟了新的场景：本地氢气生产，整合到城市立面和屋顶，或与传统光伏结合的混合系统，利用目前未充分利用的光谱带。
限制和未来
这一进展并不意味着立即的革命。锇是一种稀有且昂贵的金属，仍需努力优化稳定性、成本和可扩展性。然而，它代表了实验室与现实世界之间的桥梁，表明提高效率并不总是需要更复杂的系统，而是需要设计更好的材料。
太阳能制氢作为能源载体
用太阳能生产的氢气是脱碳的关键。它作为能源载体储存可再生能源的过剩，减少对化石燃料的依赖，并使难以电气化的行业和运输部门脱碳。
其应用包括：
能源储存：将太阳能间歇性转化为可用能量并稳定电网。
清洁工业：在钢铁、水泥、氨和甲醇等过程中取代煤炭和天然气。
可持续运输：通过燃料电池为车辆提供动力，实现零排放。
发电：用于固定和便携式应用的燃料电池。
合成燃料：可以精炼以生产可再生替代品。
与化石燃料相比，其优势显而易见：零排放、可持续性和多功能性。
日本团队的工作表明，扩大人工光合作用的有效光谱具有实际和可衡量的影响。虽然不能解决所有障碍，但它在通往低碳经济的道路上放置了一个关键的拼图，使太阳能制氢技术更接近实际和日常使用。
