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化學家開發液體儲氫材料

only-perception
・2011/12/02 ・820字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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Oregon 大學的化學家已為「氫」開發出一種基於硼氮(boron-nitrogen)的「液相」貯存材料,不僅在室溫下可安全運作,而且具備大氣與濕度穩定性 — 這項成就為克服目前的儲存與運輸障礙,提供一條可能的路線。

在一篇位於 Journal of the American Chemical Society 期刊網站頭版位置的論文中報導,一個由四位 UO 科學家所組成的團隊描述開發出一種環狀胺硼平台稱為 「BN-methylcyclopentane(BN-甲基環戊烷)」。除了其溫度與穩定特性外,還具有無任何相變的氫脫附(hydrogen desorption)特色,那很乾淨、快速且能夠控制。它在脫附時使用可輕易取得的氯化鐵當作催化劑,並允許將用過的燃料(spent fuel)回收成「填充狀態(charged state)」。

研究者告誡,推動此貯存平台向前的大挑戰是需要增加氫產量並開發更節能的再生機制。

“除了可再生的氫製造外,氫儲存技術的開發一直都是建構氫能基礎建設的 一項重要工作,” Shih-Yuan Liu 說,化學教授以及 UO 材料科學研究所的研究者。

美國能源部資助這項研究,要在 2017 年前為氫燃料開發出可行的液態或固態載體。這項新的 UO 方法由於是基於液態而非固態,與其他許多正在進行的研究有所不同,對此,Liu 表示,將使石油到一個氫基礎建設的可能轉換更加容易。

“基於材料的氫貯存領域已被固相材料的研究所主宰,例如金屬氫化物、吸附劑材料以及硼烷氨(ammonia borane),” Liu 表示。”可獲得液相氫儲存材料,代表在行動與攜行應用上,一種實用的氫儲存選擇,可利用當前普遍基於液體的燃料基礎建設。”

關鍵在於化學。Liu 的團隊原本發現六元環(six-membered cyclic)胺硼材料很容易隨著氫的釋出而 — 從更大的、想要的分子 –三聚化(trimerize)。然而,這些初始材料是固體。藉由調整結構,包括從六元環變成五元環的大小縮減,該團隊終於成功地創造出一種液態的版本,有著低蒸汽壓而且不會在氫釋出時改變其液體性質。

一開始,以可攜式燃料電池供電的裝置可以更輕易地採用這種新平台,Liu 表示,他也是 Oregon BEST(Built Environment & Sustainable Technologies Center)的成員之一。

資料來源:PHYSORG:Chemists develop liquid-based hydrogen storage material[November 22, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域
ntucase_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

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ntucase_96
30 篇文章 ・ 694 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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糖、香料,還有一切美好事物?轟!人體組成了——《完全圖解 元素與週期表》
PanSci_96
・2019/12/09 ・2192字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

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身體的組成,元素都知道

你體重的大約 65% 是由氧(O)所構成。體重 60 公斤的人,竟然有將近 40 公斤是氧原子的重量。下方插圖是表示組成人體的元素的內容(質量比例)。

組成人體的元素的內容(質量比例),人體的主要材料有 6 種元素。圖/人人出版提供

人體的 70% 左右是水(H2O),而氧是水的構成要素。構成身體的蛋白質和核酸(DNA 等)也需用到氧。此外,肺所攝取的氧會溶於血液中,供應給全身的細胞。

第 2 名之後依序為碳(C)、氫(H)、氮(N)等等。這些元素也是蛋白質以及核酸等製造人體的物質的材料。接下來的鈣(Ca)是骨骼的成分, 磷(P)主要做為製造核酸的成分。以上這些前 6 名的元素,占有體重的 98.5%。構成人體的元素,和構成地球的元素一樣,追本溯源,都是在宇宙空間或恆星裡面誕生的元素。

人體也含有鐵(Fe)、鋅(Zn)等金屬。而且已知某些特定金屬是維持人體正常機能不可或缺的必需元素(請參照下表)。例如鐵,成人的體內含有大約 5 公克,主要用於製造血紅素(hemoglobin,血紅蛋白),這是一種在紅血球中負責與氧結合的蛋白質。眾所周知,如果鐵含量不足,輸送氧的能力會下降,導致貧血。

表格為包括微量元素在內的更詳細內容。依據含量的多寡分成多量、少量、微量、超微量等幾類。表格中以藍色字體書寫的是人體的必需元素。由表可知,有些元素雖然數量極微,卻是人體不可或缺的必需元素。

分類 元素名稱
(藍色為必需元素)
比例 體重 60 公斤中所含的量
多量元素 65% 39公斤
18% 11公斤
10% 6.0公斤
3% 1.8公斤
1.5% 900公克
1% 600公克
少量元素 0.25% 150公克
0.2% 120公克
0.15% 90公克
0.15% 90公克
0.05% 30公克
微量元素 5.1公克
2.6公克
1.7公克
1.7公克
0.27公克
0.27公克
0.17公克
0.10公克
86毫克
68毫克
超微量元素 51毫克
43毫克
17毫克
15毫克
11毫克
10毫克
9.4毫克
8.6毫克
8.6毫克
8.6毫克
1.7公克
1.7毫克
1.3公克
0.17公克
  • 註:1 mg = 0.001 g
  • 含量較多的前 6 名元素,占有體重的 98% 以上。人體含有各式各樣的元素,但其中有 23 種元素,如果欠缺的話會引發某種障礙,稱為必需元素。

人體內也有金屬存在?!

金屬元素是人體所必需的,這件事是在 1745 年第一次獲得確認。義大利醫師門吉尼(Vincenzo enghini)發現燃燒血液剩餘的灰燼可被磁鐵吸引,因而第一次注意到人的體內有金屬存在。

此外,汞(Hg)和砷(As)這類攝取太多會有害的元素,其實在人體裡面也含有微量(體重 60 公斤之中,就含有數毫克~數十毫克的程度)。這些元素到目前為止還沒有發現它們是人體所必需(承擔某種機能)的證據,但也有學者認為它們是必需的。

元素在體內如何被運用?

主要的元素在體內如何被運用。前6名元素是用來做為製造身體的蛋白質、核酸(DNA)、骨骼等的材料。此外,鈉及鉀等金屬材料則溶於體液中,發揮酸度的調節、細胞間的訊息傳送等功能。

主要的元素在體內如何被運用。(點圖放大)圖/人人出版提供

  • 水(H2O):占體重的70%左右。以充滿於細胞間的體液或血液的形態,溶解氧等氣體、糖等營養成分、各種離子。
  • 丙胺酸(C3H7NO2):丙胺酸(alanine)是胺基酸的一種。蛋白質是由丙胺酸等 20 種胺基酸串連在一起而構成。在半胱氨酸(cysteine)這種胺基酸裡面含有硫。
  • 葡萄糖(C6H12O6):葡萄糖是糖的一種,以血糖形態溶於血液中,做為主要的能源使用。
  • DNA:在所有細胞的細胞核裡面,以遺傳基因的形態存在。DNA 由碳、氮、氧、氫、磷等 5 種原子構成。由於氫的數量很多,為了避免妨礙觀察,在上方的插圖中省略不畫。
  • 鈣(Ca):存在於體內的鈣之中,90% 以和磷結合的形態存在,做為製造骨骼的材料。
  • 鈉(Na):主要以鈉離子(Na+)的形態存在於體液中,用於酸度及離子濃度的調整等。
  • 鉀(K):主要以鉀離子(K+)的形態存在於細胞內,具有促進細胞代謝等的機能。
  • 氯(Cl):主要以氯化物離子(Cl)的形態,存在於細胞內及體液中,具有調整離子濃度等等的功用。
  • 鎂(Mg):約有 6 成存在於骨骼中,約有 4 成存在於肌肉等處。

——本文選自《完全圖解 元素與週期表:解讀美麗的週期表與全部118種元素!》,2019 年 9 月,人人出版

PanSci_96
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