美國能源部發(fā)布碳中和氫能技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)問題報告

近期，美國能源部發(fā)布《碳中和氫能技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)》報告，探討了零碳氫能生產(chǎn)、存儲和利用等領(lǐng)域的科學(xué)問題和技術(shù)障礙。該報告提出了綠氫基礎(chǔ)科學(xué)研究四個優(yōu)先研究方向，包括：發(fā)現(xiàn)和控制材料和化學(xué)過程以徹底革新電解制氫系統(tǒng)；操控氫的相互作用機制以充分發(fā)揮氫燃料潛力；闡明能源效率和原子效率相關(guān)的復(fù)雜界面結(jié)構(gòu)、演化和化學(xué)問題；認識并緩解性能退化過程以提高氫能系統(tǒng)的耐用性。

 

1、發(fā)現(xiàn)和控制材料和化學(xué)過程以徹底革新電解制氫系統(tǒng)

 

關(guān)鍵科學(xué)問題：如何進行多組件的協(xié)同設(shè)計，以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的零碳電解水制氫？

 

電解需要多種組分在特定條件下的協(xié)同作用，以實現(xiàn)高活性和對水中雜質(zhì)的耐受性。要取得重大進展，關(guān)鍵是要詳細了解材料組分、系統(tǒng)和反應(yīng)環(huán)境如何共同生產(chǎn)氫氣。理解多尺度的時間和空間現(xiàn)象，對于針對不同運行環(huán)境進行經(jīng)濟高效、穩(wěn)定的組件（如催化劑、膜和電極層）定向協(xié)同設(shè)計至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要開發(fā)原位和/或工況條件下動態(tài)表征（operando）技術(shù)以及計算和/或數(shù)據(jù)科學(xué)工具，以了解工況條件下系統(tǒng)不斷變化的復(fù)雜情況。

 

2、操控氫的相互作用機制以充分發(fā)揮氫作為燃料的潛力

 

關(guān)鍵科學(xué)問題：控制和選擇性調(diào)控氫與其他分子和材料的相互作用需要哪些基本見解？

 

成功實現(xiàn)零碳氫能技術(shù)需要控制氫與其他分子和材料相互作用的能量和機理。需控制的能量范圍從氫的弱相互作用到氫分子中的強鍵。實現(xiàn)調(diào)節(jié)氫相互作用以獲得比物理吸附強但比化學(xué)吸附弱的特定結(jié)合能，將促進氫技術(shù)的變革性進展。掌握這種調(diào)控將需要能夠針對氫存儲和利用過程，準確表征分子種類和受限環(huán)境中表面和界面的氫相互作用和動力學(xué)，并將這些數(shù)據(jù)整合到預(yù)測模型中。

 

3、闡明能源效率和原子效率相關(guān)的復(fù)雜界面結(jié)構(gòu)、演化和化學(xué)問題

 

關(guān)鍵科學(xué)問題：如何在多個空間和時間尺度上定制相互作用、不斷演化的界面，以實現(xiàn)節(jié)能、選擇性工藝過程，最終實現(xiàn)零碳氫能技術(shù)？

 

多組分、多相界面的復(fù)雜性加上氫能系統(tǒng)固有的反應(yīng)性帶來了許多挑戰(zhàn)，實現(xiàn)可持續(xù)過程需要原子間的高效化學(xué)反應(yīng)，不會浪費材料或產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)品。表征、理解和控制多相復(fù)雜界面的時空特性和動力學(xué)是推進零碳氫能技術(shù)的關(guān)鍵。這一重大挑戰(zhàn)需要開發(fā)集成的、預(yù)測性方法，涉及多種技術(shù)的耦合和并行應(yīng)用，包括先進合成，異位、原位和工況條件下動態(tài)表征，量子到連續(xù)尺度的理論認知和建模，數(shù)據(jù)科學(xué)和機器學(xué)習(xí)，性能量測，以及耦合這些方法的多模態(tài)平臺等。

 

4、認識并緩解性能退化過程以提高氫能系統(tǒng)的耐用性

 

關(guān)鍵科學(xué)問題：如何識別和理解氫能系統(tǒng)性能退化的復(fù)雜機理，以獲得能夠預(yù)測設(shè)計更耐用系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識？

 

認識和緩解性能退化是氫能技術(shù)的一項艱巨挑戰(zhàn)。由于系統(tǒng)在復(fù)雜條件下長期運行，加大了分子或原子尺度上多種降解現(xiàn)象機械論認知的難度。準確認識管控穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系至關(guān)重要，包括在界面處開展工況條件下的動態(tài)過程表征，這將有助于制定新的設(shè)計原則以及開發(fā)能夠顯著延長壽命的更堅固、穩(wěn)定的材料，尤其是當(dāng)合成和性能與預(yù)測性建模相耦合時更是如此。