水能源和气候交汇处的电气化过程

Lea Winter于去年七月加入耶鲁大学化学与环境工程系，担任助理教授。她在纽黑文出生和长大，很高兴能在耶鲁继续她的职业生涯，她之前在那里完成了她的本科学位和博士后奖学金。

十一年前，她开始了她的学术之旅，成为一名有抱负的化学工程专业。在耶鲁大学的四年中，她在夏季研究奖学金机会下探索了不同的研究课题，从免疫基因组学到替代燃料。她的部分学术生涯是在Menachem Elimelech博士的指导下度过的，他的研究重点是开发用于水处理技术的膜。Winter对可持续发展研究的参与激发了她对以环境为重点的研究的兴趣，以保护人类健康。

“我意识到人们生病是因为无法获得清洁水，营养不良，空气污染，与气候变化有关的极端气候事件......我想解决这些环境问题，以防止这些情况发生，“温特说。“我想增加获得清洁水的机会，或者增加获得肥料和改善粮食安全的方法，或者试图缓解气候变化以防止灾难性气候事件的发生。

2015年在耶鲁大学完成学位后，她在研究多相催化和电催化以改善化学制造工艺的陈静光博士的指导下开始在哥伦比亚大学攻读化学工程博士学位。

在她的整个研究生生涯中，她开发了电动途径，从可持续投入中产生化学物质。许多生产消费品的工业过程都是由化石燃料间接驱动的：例如，传统的酒精生产依赖于氢气，氢气主要来自天然气和煤炭，作为关键的反应物。作为替代方案，可以通过将CO2与乙烷(一种用天然气提取的未充分利用的化合物)反应来制造醇，作为产生醇的氢源。这种反应不能使用热驱动工艺进行，但在室温和环境压力下使用基于电的等离子体工艺可以实现。

“找到基于电的过程的最佳方法可能不是采取相同的反应并在电(而不是热)上运行它，而是以完全不同的方式进行，甚至在过程中有不同的输入，”她说。“通过改变这些细节来改变我们如何做这个过程，我们也许能够找到更有效的途径来制造这些产品。在她的研究生研究中，她将二氧化碳作为反应物，以产生广泛用于工业过程的燃料和化学品。

当她在哥伦比亚大学完成博士学位时，她开始申请博士后奖学金，以补充她在能源和可持续投入方面的研究。她很快发现，Elimelech实验室的研究人员正在开始一个项目，将膜和电驱动现象耦合。凭借她在多相催化和等离子体催化方面的专业知识，Winter于2020年重新加入Elimelech实验室，开发电气化膜。

传统膜不会分解供水中的污染物，而是将这些污染物与目标流分开。结果，膜会产生必须处理的“废物流”，从而存在再次污染供水的风险。相比之下，电膜是有利的，因为它们可以捕获污染物并将其降解为无害的副产品。

“这是偶然的，”温特说。“我有一个关于制造可以进行电化学的膜的想法，Elimelech实验室的一些人正在考虑同时写一篇关于这个主题的评论论文。我读过一篇来自Elimelech实验室的论文，关于在膜中使用光催化剂来降解污染物。你需要以某种方式将太阳能传递给水中的光催化剂。想象一下，用催化剂涂覆膜：该膜需要暴露在水中，并暴露在阳光下。反应可能受到多少阳光可以到达水下膜表面的限制。

传统技术使用光催化剂，即利用光来启动电子基反应的粒子，以降解污染物。然而，这些催化剂依赖于光照，限制了它们在工业设施中的使用到白天。相比之下，传统的水处理系统在一天中的所有时间都在运行，以不断向公众提供清洁的水。

Winter正在开发的带电膜将可再生能源捕获与催化反应分离。通过使用导电膜，可以从外部源传输电力，从而延长这些膜在工业中的使用时间。

“我想 - 如果我们要将太阳辐射捕获与反应发生的地方分离出来会怎么样?换句话说，如果我们要将太阳能电池板与发生催化作用的地方分开会怎麼样?」

冬季实验室已经有一个雄心勃勃的研究人员小组，他们正在与内部和外部中心合作，如耶鲁自然碳捕获中心和NSF纳米系统工程研究中心纳米技术支持水处理(NEWT)，这项合作跨越四所不同的大学，以改善水处理技术的方法。她的研究将集中在水处理技术，这是耶鲁环境工程项目的传统优势，以及能量储存，资源回路和电力驱动过程。

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