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未来10年能源化学学科重点发展的研究领域丨中国学科发展战略 精选

已有 4427 次阅读 2018-1-3 14:29 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

能源化学是能源科学和化学科学这两门主干学科与材料学、工程学、物理学、生物学、环境学、经济学、管理学等多个学科交叉融合,进而形成的在能源学科下的一门二级学科,它主要利用化学的理论和方法来研究能量获取、储存、转换及传输过程的规律和探索能源新技术的实现途径。不论是在常规能源的综合利用还是新能源的研究开发中,能源化学均担当重任,为人类社会的可持续发展发挥巨大作用。


为实现我国能源化学领域的发展目标,结合重大理论问题、国际研究动向和国内现有研究基础,未来10 年内能源化学学科将重点发展以下研究领域。


一、碳基能源化学领域


(1)甲烷活化与转化:寻求可以获得较高目标产物收率的甲烷催化转化新途径;注重开拓较为温和反应条件下的甲烷催化转化的新方法,发展光、电、热催化反应耦合的新型催化体系;注重非常规方法的甲烷活化,探索使用不同氧化剂时甲烷的多种活化方式及极端反应条件下的反应方式,寻求高效反应途径;创新催化材料的设计与制备,不仅考虑甲烷在催化活性位上的活化,同时注重活性中心的微环境。


(2)生物质转化:研究木质纤维素的结构、聚集态及其预处理和主要组分分离的新方法;研究纤维素、半纤维素直接催化转化为单糖、多元醇等平台化合物及其催化转化制备液体燃料和化学品;研究木质素的绿色催化解聚以及芳烃和环烷烃等化合物的制备;面向木质纤维素高选择性转化催化剂和反应机理的基础研究;将化学与生物转化有机结合,发展木质纤维素高效转化的新方法与新过程。


(3)合成气催化转化:汲取近年有关活性相尺寸效应、限域效应及助剂作用等方面的成果,引入介孔沸石分子筛、纳米碳材料以及低维纳米结构材料,发展核壳、限域等纳米结构催化材料的合成方法,创制高活性高选择性合成气转化催化剂;结合理论模拟和谱学表征研究,揭示反应条件下CO/CO2活化和C—C 偶联机理,深入认识控制碳链增长的关键因素;构建多功能协同催化体系,有效利用反应耦合,开拓和发展合成气转化的新反应和新过程;反应器设计和反应过程强化方面的创新。


(4)二氧化碳化学利用:二氧化碳催化活化转化全方位的理论分析及分子模拟;二氧化碳转化催化剂的新型制备方法;探寻二氧化碳负离子利用的潜在价值;探寻二氧化碳催化转化新反应或新反应途径;二氧化碳光催化转化和光电催化转化。


二、电能能源化学领域


(1)燃料电池:低铂/ 非铂催化氧还原与氢(及生物质燃料)氧化过程,含催化材料与催化机理解析;新型抗自由基非氟固态电解质的分子设计与合成;高效能量转换多孔电极界面行为与极化本质;高一致性电堆选控策略与机制、高可靠性系统集成技术;高燃料利用率的燃料电池水热管理技术;开发新型储氢材料及高效低成本的制氢技术。


(2)动力电池:高比能量材料体系研发;研究电极反应过程、反应动力学、界面调控等基础科学问题;发展电极表界面的原位表征方法;开展基于全电池系统的电化学过程研究;促进锂硫电池等新型金属锂电池体系研发成果的转化。


(3)液流电池:高浓度、高稳定性电解质溶液的制备技术与工程化放大技术;高性能非氟离子传导膜的工程化及产业化技术;高导电性、高活性电极双极板的工程化及产业化技术;大容量、高功率密度液流电池电堆的研究开发;大规模(高功率、大容量)液流电池储能电站技术的研究开发及商业化应用示范工程。


(4)储能型锂/ 钠离子电池: 低成本、长寿命锂/ 钠离子电池材料的研究;材料的表面结构与功能调控;电池性能演变过程的研究;电池安全性机制与控制技术;快速电极反应过程机理的研究;锂/ 钠离子电池的资源利用与环境保护。


(5)铅酸和铅碳电池:碳材料作用机理研究;负极析氢抑制技术的研究;碳材料的微观结构设计与制备技术研究;电池结构设计与生产技术研究。


(6)锂- 空气电池:高稳定性、高催化活性正极材料的研究;不挥发高电化学稳定性电解液的研究;提高金属锂电极的界面稳定性的研究;高性能固体电解质隔膜与氧气选择透过技术的研究。


(7)全固态电池:发展具有高离子电导率和高环境应变性的离子导体等固体电解质体系,开展新型快离子导体材料的合成方法与电化学性能研究;开展界面物质间的化学和电化学相互作用及其反应机理和动力学的研究;发展全固态锂电池制备技术的应用基础研究。


(8)可穿戴柔性电池与微电子系统储能器件:研发具有优异机械性能和良好电化学性能的电极材料和新型固态电解质;研发具有高的电子电导率和良好的机械性能的柔性集流体;研究强度高、柔韧性好的封装材料;设计与电子系统适配的新型电池结构和封装技术。


三、太阳能能源化学领域


(1)太阳能电池:发展结合第1~第3 代太阳能电池的新型叠层技术;第3 代太阳能电池技术的实用化。


(2)太阳能燃料:宽光谱半导体材料的开发与制备技术研究;光(电)催化分解水制氢的基础研究与规模化;光(电)催化二氧化碳还原催化剂的设计合成;太阳能电池与电催化的结合;高效光电化学系统的界面工程。


(3)太阳能热化学:太阳能热化学燃料转化;太阳能热化学储能;太阳能热化学互补发电。


四、热能能源化学领域


(1)燃烧化学:探究关键燃烧基元反应的微观机制;开展燃烧反应中间产物的准确测量和模型的宽范围验证;建立液体和固体燃料燃烧反应动力学模型;深入研究燃烧污染物形成机理。


(2)化学链燃烧:氧载体的筛选及性能研究;化学链燃烧反应器的设计优化;化学链燃烧系统的拓展应用。


(3)高温燃料电池:熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)材料基础研究;固体氧化物燃料电池(SOFC)材料基础研究;高温燃料电池工程化应用示范研究;直接碳燃料电池(DCFC)的研究。


(4)高温电解水蒸气制氢:固体氧化物电池(SOEC)电极反应机理的研究;SOEC 电堆衰减机制研究;发展高温原位表征手段;SOEC 新材料体系的研发和微观结构优化;新型SOEC 电解池的研发;发展大规模系统集成技术以及与清洁能源的耦合技术,建立先进工程示范装置;发展高温共电解CO2/水蒸气制备合成气技术。


五、能源物理化学与能源材料化学领域


(1)能源表界面物理化学:能源表界面的热力学/ 动力学特性及结构调变电子态的规律;能源表界面结构的修饰和能源化学过程的调控;能源表界面的外场调控和能源化学过程的增强;能源物理化学过程的表征新技术;能源物理化学过程的理论研究新方法。


(2)能源化学理论问题:基础计算方法的发展;新概念和新理论的提出;高通量筛选、大数据和计算信息学的融合发展。


(3)能源新材料制备:功能介孔材料的制备;金属纳米结构的制备;二维半导体材料的制备;复合纳米结构的制备。


六、能源化学系统工程领域


1)基于化学能源的(冷)热电联供:(冷)热电联供系统的优化配置与选型研究;(冷)热电联供系统的能量管理与运行策略研究;新技术在(冷)热电联供系统中的应用。


(2)煤基多联产:多联产系统化学能和物理能梯级利用的能量转换机理研究;煤热解分级转化研究;煤、生物质气化多联产研究;煤基多联产灵活系统(燃料、产品)设计。


(3)生物质气化多联产:生物质制氢与液体燃料合成技术;BGFC-GT 一体化技术;生物质与天然气基及其互补的多联产系统集成;灵活系统(燃料、产品)设计与联产方案优化。


(4)换热网络:基于夹点分析、数学规划、人工智能等技术的换热网络优化;基于夹点分析与数学规划结合的换热网络优化;换热网络控制与工艺一体化设计。


(5)能源互联网:不同类储能系统的优化配置;能源互联网核心单元的优化设计、协调调度和运行控制;多类型能源网络的耦合与连接;基于大数据挖掘的优化设计和运行方案研究。




本文摘编自国家自然科学基金委员会、中国科学院编《中国学科发展战略·能源化学》第一章,内容有删减。



中国学科发展战略·能源化学

国家自然科学基金委员会、中国科学院编

责任编辑:朱萍萍  孙静惠

ISBN 9787030544858


《中国学科发展战略·能源化学》旨在梳理能源化学学科发展的历史脉络,探讨能源化学及相关学科发展的一般规律,研究分析学科发展总体态势,并从历史和现实的角度剖析战略性新兴产业与学科发展的关系,为可能发生的能源领域新科技革命提前做好学科准备,并对我国未来能源化学学科的持续、协调、健康发展提出有针对性的政策建议。

(本期编辑:安 静)


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