云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作,以单原子铜锚定二氧化钛,成功制备新型光催化剂,其分解水制氢量子效率高达56%。这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。

把一些白色粉末扔进水里,不用电,也不用加热或消耗其他能源,就凭太阳光或LED光源照射,水就能源源不断分解成氢气和氧气。

更令人惊奇的是,即使经过几百个小时的实验,这种白色粉末的量并没有减少,只要有水和光照,氢气就能持续不断产生。

云南大学材料与能源学院实验室柳清菊已经成功开展了这个令人兴奋的实验,其相关论文已刊发在《自然-通讯》杂志上。

柳清菊团队通过大量研究发现,选用金属铜(Cu)改性二氧化钛(TiO2),采用特别的方法使铜以单原子形式牢固锚定于具有大比表面的TiO2纳米颗粒表面,单个原子作为化学反应的活性位点,使光催化活性达到最大化,产氢量子效率一下子就大幅提高到56%,在国际上首先实现了量子效率的突破。

01提高催化效率才能助推光解水制氢走向实用化

氢能是一种清洁无污染的可再生能源,燃烧值很高,可达每千克140兆焦耳,其具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点,有望代替石油和天然气,因而受到世界范围的广泛关注。若能得以大规模实际应用,将为“双碳”目标的顺利实现作出贡献。

“目前,制备氢的主要方法有化石燃料制氢和电解水制氢,但两种方法都需消耗传统能源。”柳清菊向科技日报记者介绍,化石燃料制氢,二氧化碳排放量大,每生产1千克氢气,将产生10千克左右的二氧化碳;而电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在环境和能源问题日益严重的今天,开发清洁、可持续、低成本的制氢技术,推进氢能的发展显得尤为迫切和重要。”柳清菊说,采用光催化技术,利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的新方法。

自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来,光解水制氢一直受到学术界及产业界的关注与重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下,光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带,形成“电子—空穴”对,空穴和电子迁移到材料表面,与表面吸附的水分子发生氧化还原反应,也就是电子与水发生还原反应产生氢气,空穴氧化水产生氧气。

然而,由于电子带负电,空穴带正电,使得光催化材料中光照所产生的“电子—空穴”很容易复合,导致产氢量子效率低下,严重阻碍了光解水制氢的发展。因此,如何阻止“电子—空穴”的复合,提高光催化制氢效率,成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一,也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。

这其中,光催化材料是核心。而光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。

02铜离子“补位”新型光催化材料设计制备突破瓶颈

金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂。相比传统金属催化剂,金属单原子催化剂中的原子以单个的形式负载在载体上,在催化反应中可充分参与反应,实现反应活性中心的最大化,利用效率可接近100%,在理论上可以同时提高催化活性并降低成本。

然而由于单原子具有极高的表面能,在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高,阻碍了其实际应用。

“这次起光催化作用的二氧化钛,是一种钛和氧规则排列的晶体,我们通过独特的合成工艺,在其中生成大量的钛空位。”柳清菊向记者解释,有了这些钛空位,就可以请铜离子来帮忙“补位”。

“通过对钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成,我们研制出具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料,以此为载体锚定过渡金属铜单原子,使铜与二氧化钛形成了牢固的‘铜—氧—钛’键。”柳清菊介绍,在光催化制氢反应过程中,一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化,大大促进了光生“电子—空穴”的分离和传输,大幅提高了光生电子的利用率,使产氢量子效率获得突破,达到56%。这项突破获得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和材料化学终身教授唐军旺团队的验证。

03成本、工艺更“亲民”光解水制氢产业已初露曙光

新研制的二氧化钛基光催化材料,具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点,且生物相容性好、制备方法简单、成本低,与传统方法相比优势明显。通常含贵金属的催化剂,催化活性高,但相应的成本也极高。“新材料中,我们用的是‘贱金属’铜,它储量大、价格低、易获得,这是成本降低的第一个方面。” 柳清菊介绍,此外,原有的催化材料中单个金属原子活性很大,很容易形成团簇,使得催化活性降低。

研发团队将铜原子牢固地锚定在钛空位上,不容易团聚,创新性地解决了这个问题,稳定时间很长,在常温常湿条件下,样品放置380天之久,仍然具有与新制备样品相当的产氢性能,进一步降低了产氢成本;另外,新型光催化材料制备工艺简单,无需昂贵的设备,使光催化制氢更加“亲民”。

近年来,柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究,包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等,已获得稳定的高性能光解水制氢光催化材料的实验室制备工艺,正准备开展放大工艺研发,为后续产业化奠定基础。虽然传统的光催化材料成本高、量子效率低,国内光催化产氢市场尚未成熟,但随着产业链衔接及相关政策的完善,光催化制氢产业化已是曙光初露。

对柳清菊团队而言,56%的产氢量子效率也不是终点。“我们还在继续努力,使效率进一步提高,如果能够提高到70%以上,对生产应用的意义将是不言而喻的。”柳清菊说,找准了方向,效率再提升将不是梦。随着光解水效率进一步提高和成本进一步降低,氢能时代将加速到来,人类也将还地球以绿水青山。#流程工业新闻#

【投稿】我和cp在一起两年一直很甜蜜,但是因为两个人的工作性质原因,一直在异地,并且很难结束异地。虽然一直在努力想办法,但谁又能说得准以后呢。
前不久看到一条异地四年最后约定和平分手的投稿,我很触动的截图给他看,故意使着小性子问他,如果我们最后也走到了这一步,你用多久时间能忘了我。他给我看了窗外天空中节日烟花。
不知道说什么,愿大家有情人终成眷属。

【创作谈|161.6米的黄河长卷如何绘就】黄河自古以来便是文学艺术创作的绝佳对象。以黄河为主题的美术创作,持续诞生了大量经典之作,展示了大河的壮阔、文化的深厚。近年来,这类创作更是掀起了新的高潮。日前,“黄河——王克举”美术展在山东美术馆举办,一幅161.6米恢弘油画长卷,全景式、多角度地展示了黄河或质朴,或厚重,或瑰丽的多个侧面。这幅作品广受关注,得到业内高度评价的同时,还成为了新的网红打卡地。

“一笔笔从黄河的源头画到黄河入海口,我将心中的黄河镌刻在画布上,每一笔都充满憧憬,就像藏民匍匐在长满草丛的路上……那是一种朝圣的感觉。”长卷作者、中国油画学会理事、中国美术家协会会员、中国人民大学艺术学院教授王克举说。

“游观”引领“沉浸”

160多米长卷如何绘就?王克举告诉记者,他构思10年,用了4年时间,驾车超过4万公里,跨越沿黄九省(区),36个景别共101单幅画面都是现场完成的即兴创作。年过六旬的他,就这样自黄河发源地一路画到入海口。“黄河流域的地理风貌粗犷、苍茫,特别适合用油画来展现。而在西方油画的基础上,融入中国文化的写意特征,更能展示一条中国人心目中的黄河。”王克举说。

在这幅长卷中,王克举借用了移动视线的方式,将中国绘画的意象性和油画写生的焦点透视进行了有机结合——每个场景的视角都在跟随景别需要而上下左右变换,时而仰视,时而俯视,这种“游观”的空间观念,对于观众而言,会不自觉地产生“沉浸式”的绝妙欣赏体验——由《星宿海》开始,画家用苍莽而舒缓的节奏拉开帷幕,呈现了黄河深沉神秘的源头;紧接着,《扎陵湖》《鄂陵湖》《果洛草原》《阿尼玛卿雪山》徐徐展开,王克举以线条驰骋表现水流的轻重缓急,以色彩明暗冷暖丰富画面节奏,从涓涓细流汇为银海微澜,再到水银泻地般地穿越峡谷,构成飞流夹巘之壮景;从《贵德丹霞》《冰凌丹霞》开始,画面色调逐渐由冷变暖,深沉的蓝黑色与朱红色、深红、赭石,构成了自由而跳跃的节奏,与静静的长河相望;继续向前,《壶口》《三门峡—小浪底》陡然出现,黄河以撞击天地之势发出巨龙般的吼声,恍然间如临“黄河之水天上来”之境界;转而入《豫鲁大地》《泰山·黄河玉带》《鹊华春色》《齐鲁大地》,黄河又尽显母亲般的慈爱祥和,稻谷肥硕、草木幽香、晴空浩然,终而入海;在《黄河》的终章,色彩的运用被发挥到了极致,玫瑰色、橘黄色交织而成的绯红色巨流,缓缓涌入湛蓝澄明的大海,满目光华,预示着母亲河更加美好时代的到来……长卷带来的丰富画面与情绪的跌宕,超出了“图像”营造的艺术范畴,俨然是一部交响诗,以丰富的音色和节奏的起落,糅合景色的绝美与人文的感怀,吟唱出激昂的诗篇。

“我从黄河的源头画到入海口,越发觉得黄河的伟大与不朽。虽然我画的是一条自然的黄河,但在我的内心里,它始终是汹涌澎湃的,所以我要把整条黄河画得波涛汹涌、气势磅礴。不过,画到家乡山东段的时候,广袤的大平原上,黄河已经没有了大江大河的波澜壮阔,我便在画那些庄稼的时候,也让它们像黄河水一样,呈现汹涌澎湃的状态。”谈起创作心得,王克举说,“黄河从上游到下游,河道基本上是被镶嵌在峡谷之间,中上游除壶口外,基本上没有河水奔腾的展现,小浪底是我后期有意增加的一段,放大了翻滚汹涌的河水,用以增加汹涌澎湃的气势。壶口是我画黄河的开端,为的是给整条黄河的创作定下一个气势磅礴、波涛汹涌的基调。小浪底是整幅作品的收笔之作,画到这里的时候,我异常地兴奋,画得特别快,也特别爽。笔法来自于我被小浪底放水冲沙的那种气势震撼后的抒发,当然画的时候也需要同样的激越,这种激烈的感觉非常贴切地表达了当时汹涌澎湃的心情。”

为母亲河做整体性造像

其实,在中国美术史上,虽然有很多画家画过黄河,知名的作品有吴作人的油画《三门峡工地》、李仲耘的中国画《向黄河进军》、傅抱石的中国画《黄河清》、艾中信的油画《夜渡黄河》、尚扬的油画《爷爷的河》、周韶华的中国画《黄河魂》、蒋志鑫的中国画《母亲的咆哮》等等,但此前没有艺术家画出黄河五千公里的路线、尽展黄河全貌。而且,受题材、尺幅的局限,奔腾不息的黄河水,几乎成为黄河在视觉形态上的唯一符号。王克举的创作,无疑是开创性的。

“我觉得只有大尺幅才能表现出黄河的气魄,要连贯成卷,才能完整展现出黄河万古奔流、生生不息的中华民族精神意象。”王克举告诉记者,这个想法的萌发已有十年。2009年,他带领学生前往山西碛口写生时,画了《天下黄河》和《溪镇》,再想到张大千画的《长江万里图》、王希孟画的《千里江山图》后,他就决心要为黄河绘就一幅“全身像”。自此,他开始反复写生、锤炼语言,研究前人的长卷巨制经验,制订环环相扣的创作计划和路线。直至2016年,《黄河》长卷创作正式启程,王克举以自驾的形式,身临其境、深度对话,熟悉黄河历史、了解黄河文化,沿河作画,为母亲河做整体性造像。

翻开王克举创作时用的笔记本,有几页写满了黄河沿线的地名。海拔3000米以上的,就有玛多的星宿海、鄂陵湖、扎陵湖、阿尼玛卿雪山、同德县、龙羊峡水电站等等,在乾坤湾、炳灵寺、果洛草原、泰山黄河玉带、泰山等,也都留下了他和团队的足迹。创作条件的艰苦也显而易见:黄河源头位于青藏高原,高原作画,就要克服当地低温、道路不便、饮食不便与高原反应等一系列困难;大河流经山区,路窄难行,各式画具、实木画框画架等装备,货车载不进去,就人背肩扛……

不过,王克举和他的团队以高度的热情投入其中,反而甘之如饴。“从一开始的把握不好到后来的驾轻就熟;从开始的被动描写到主动的绘画语言转换;从对画面的理性把握到情绪的注入,由此逐渐到达自己的内心并从中发现一片更为宽阔的天地。这个天地不管怎样,它是自己走过来的,是承载个人理想的天地,是内心世界最真实的表白。”

这表白中,还传递了艺术家独特的艺术思想与审美意志。特别是在绘图的色彩运用上,画家大量运用互补色释放了画作的空间张力,视觉上增强了作品的视觉感受,给予其画作在视觉上强烈的“在场性”。“在场性有着现实的意境和强烈的象征性。比如说有些水的地方画成黄色、橙黄色,这就是作者强烈的人文精神驱动所使,传达了一种个性化的精神诉求,暗含着非常浪漫的想象力。浪漫的情怀有两个,一是构图的浪漫,二是色彩的浪漫。他在色彩方面突破了以往中国人看山水的意境。”清华大学美术学院教授顾黎明评价。

“追寻黄河魂”

“现在回想起来,如何画黄河对我来说难度并不是最大的,因为毕竟对景写生、画大画创作20年了,好像前20年的探索、积累就是为了画黄河,所以在技术上或者是在艺术处理上都不是最大的困难,最大的难度是如何能靠近黄河,黄河在哪里?黄河魂在何处?”王克举坦言。

“追寻黄河魂”,或许也是黄河主题创作中,每一位文艺工作者都在深入思考的重要课题。特别是在当下,如何避免“蹭热点”式的“营销创作”,能将展现母亲河的历史脉络、人与自然的良性互动、展望高质量发展的美好未来相结合,这些问题都考验着艺术家们的创作力和创新力。总体来看,这一题材的经典之作还不够多。

王克举的《黄河》为这一题材的创新作了良好的示范。画家努力通过对黄河沿岸自然风貌的描绘和再现,概括几千年来中国人对黄河的认知、记忆和想象,把自然的黄河、人文的黄河和精神的黄河融合起来,凸显黄河不屈不挠、排除千难万险、奋勇向前的顽强精神,表达对黄河母亲及对民族的崇高敬意。“他表现黄河的节奏呼应生命之流从缘起到百转千回汇入大海的自然节奏,而且铺陈刻画着黄河所饱含的历史气息、生活脉络和民族精神,作品细节带有微妙而又充满力度的韧性。油画长卷表现的不仅是黄河的景观、黄河的文化,更是黄河的精神和境界,那是‘忽听浪声浩长空,唯见黄河天上来’人与自然的碰撞,是小我与天地的交融;那是‘九曲黄河万里沙,浪淘风簸自天涯’历史沧桑、人生浮沉的雍容豁达和坚韧顽强;那是先民历经自然洗礼、顽强生活、创造辉煌文明的智慧和生命力,是我们透过长卷感受到的震撼和感动。”中国文联副主席、中国民协主席、山东工艺美术学院院长潘鲁生高度评价。

而要做出精品,还可以围绕IP进行立体化打造。在山东美术馆的此次展览中,可见这样的探索。一方面,是展览本身的丰富。现场特别陈设了艺术家写生过程中的装备,画材画具、泥沙石块,一辆SUV直接“开”入场地中,支起的帐篷下可以观看《黄河》创作诞生的纪录片,这无疑延展了创作的深度和广度。另一方面,与展览内容相呼应,山东美术馆在161.6米的《黄河》巨制前,还举办了一场别开生面的音乐与朗诵会,《将进酒》《黄河序曲》《母亲河》,吉他弹唱《龙的传人》《你就是黄河,你就是泰山》……不同的艺术表演形式在同一空间里相见,共同为现场观众奏响中华民族心灵深处的乐章。此外,该馆近日还进一步梳理馆藏精品,挖掘出一批与黄河有关的美术作品,在不同时间节点陆续推出馆藏展,并同步在官网、官微进行推介,其中有毛岱宗的《黄河东去》,有王刚的《黄河三号》《老万》等系列作品,有张永见的雕塑作品《黄河四重奏》等等。山东美术馆特邀艺术家撰写创作思路、分享创作历程,详述作品诞生背后的故事,站在创作者或者评论家的专业视角,对馆藏作品进行解读,看见不同的艺术创作方式之下,隐含着共通的民族血脉和家国情怀。

“黄河主题创作,需要更多这样的整合、策划。”一位业内专家告诉记者,艺术创作伸出多个触角,吸纳融合更多的艺术形式进行联动,引领着观众不仅能“看到”黄河,还能“看懂”黄河,也就是在不断唤醒越来越多人骨子里的‘黄河文化基因’。这最终会带动观众体量的扩大、创作质量的双丰,“那时,艺术歌咏生命之河、人文之河、发展之河的这曲大合唱将愈加雄壮。”


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