美國能源部發布碳中和氫能技術基礎科學問題報告

近期，美國能源部發布《碳中和氫能技術的基礎科學》報告，探討了零碳氫能生產、存儲和利用等領域的科學問題和技術障礙。該報告提出了綠氫基礎科學研究四個優先研究方向，包括：發現和控制材料和化學過程以徹底革新電解制氫系統；操控氫的相互作用機制以充分發揮氫燃料潛力；闡明能源效率和原子效率相關的復雜界面結構、演化和化學問題；認識并緩解性能退化過程以提高氫能系統的耐用性。

 

1、發現和控制材料和化學過程以徹底革新電解制氫系統

 

關鍵科學問題：如何進行多組件的協同設計，以實現穩定、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同作用，以實現高活性和對水中雜質的耐受性。要取得重大進展，關鍵是要詳細了解材料組分、系統和反應環境如何共同生產氫氣。理解多尺度的時間和空間現象，對于針對不同運行環境進行經濟高效、穩定的組件（如催化劑、膜和電極層）定向協同設計至關重要。為了實現這些目標，需要開發原位和/或工況條件下動態表征（operando）技術以及計算和/或數據科學工具，以了解工況條件下系統不斷變化的復雜情況。

 

2、操控氫的相互作用機制以充分發揮氫作為燃料的潛力

 

關鍵科學問題：控制和選擇性調控氫與其他分子和材料的相互作用需要哪些基本見解？

 

成功實現零碳氫能技術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。實現調節氫相互作用以獲得比物理吸附強但比化學吸附弱的特定結合能，將促進氫技術的變革性進展。掌握這種調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境中表面和界面的氫相互作用和動力學，并將這些數據整合到預測模型中。

 

3、闡明能源效率和原子效率相關的復雜界面結構、演化和化學問題

 

關鍵科學問題：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，以實現節能、選擇性工藝過程，最終實現零碳氫能技術？

 

多組分、多相界面的復雜性加上氫能系統固有的反應性帶來了許多挑戰，實現可持續過程需要原子間的高效化學反應，不會浪費材料或產生不必要的副產品。表征、理解和控制多相復雜界面的時空特性和動力學是推進零碳氫能技術的關鍵。這一重大挑戰需要開發集成的、預測性方法，涉及多種技術的耦合和并行應用，包括先進合成，異位、原位和工況條件下動態表征，量子到連續尺度的理論認知和建模，數據科學和機器學習，性能量測，以及耦合這些方法的多模態平臺等。

 

4、認識并緩解性能退化過程以提高氫能系統的耐用性

 

關鍵科學問題：如何識別和理解氫能系統性能退化的復雜機理，以獲得能夠預測設計更耐用系統的基礎知識？

 

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