美国能源部列出四大碳中和氢能技术优先研究方向
近日，美国能源部（DOE）发布《碳中和氢能技术基础科学》报告（以下简称“《报告》”），围绕碳中和制氢、化学和材料储氢以及氢能利用技术的变革性突破展开了研究探讨。《报告》认为，氢能是碳中和能源系统的关键组成部分，迫切需要通过技术创新和基础科学研究实现氢能技术的革命性突破，并列出了碳中和氢能技术在基础科学方面的四个优先研究方向。
《报告》认为，氢广泛应用于炼油、化工、氨、钢铁制造等领域，是碳中和能源系统的关键组成部分，高效利用氢能是应对全球能源挑战和气候变化危机的重要途径之一。
《报告》提出，氢可通过电解水、甲烷催化裂解或热裂解以及生物质催化等方式制取，氢的安全储存和运输至关重要。过去二十年，氢能的研究虽然取得了巨大的进展，但仍然需要通过基础研究突破技术障碍来解决制氢、氢储存和利用的成本问题以实现经济可行性。
《报告》探讨了碳中和制氢、储存和利用的技术壁垒，列出了为解决这些问题的四个优先研究方向，以加速实现碳中和。四个优先研究方向具体包括：深入研究材料和化学反应过程以革新电解水制氢系统；调节氢相互作用以充分发挥氢作为燃料的潜力；阐明涉及能源转化效率和原子效率的复杂界面结构、演化和化学反应；了解并限制氢能系统退化率以提升使用寿命。
1.深入研究材料和化学反应过程以革新电解水制氢系统
电解水制氢系统需要许多组件在特定操作条件下协同作用，以实现高效性和对水中杂质的耐受性。要取得重大进展，关键是要详细了解材料成分、系统和反应环境如何协同工作以产生氢气，了解多尺度时间和空间现象对于经济高效、稳定的组件（包括用于不同操作环境的催化剂、膜和电极层）的定向协同设计至关重要。为了实现上述目标，需要开发原位（in-situ）和动态操作表征技术以及计算和/或数据科学工具，以掌握电解水制氢系统运行时不断变化的综合情况，最终实现电解水制氢稳定、高效的目标。
2.调节氢相互作用以充分发挥氢作为燃料的潜力
成功的碳中性氢能技术，需充分了解与控制氢与分子和材料相互作用的能量和机制，包含从弱相互作用到氢分子中的强键。获得针对比物理吸附强但比化学吸附弱的特定结合能调节氢相互作用的能力，将为氢能技术提供变革性的进步。掌握这种控制技术将需要能够表征氢相互作用和动力学，用于表面和界面、分子种类和受限环境中的储存和利用过程，并将这些数据整合到预测模型中，以实现以上目标。
3.阐明涉及能源转化效率和原子效率的复杂界面结构、演化和化学反应
多组分、多项界面以及氢的高反应性使得利用氢能面临许多挑战。需通过高效利用氢原子，实现氢原子间的高效化学反应，或不产生额外副产品来实现氢能的高效利用。表征、认识和控制多相复杂界面的时空特性和动力学是推进碳中和氢能技术的关键。实现以上目标，需开发涉及多种技术耦合和并行应用的综合性方法措施，包括高级合成；异位、原位和操作特征；从量子到连续长度尺度的理论理解和建模；数据科学和机器学习；性能测量；多模式平台耦合等方法。
4.了解并限制氢能系统退化率以提升使用寿命
在各类氢能技术中，认识并限制氢能系统退化率是一项艰巨的挑战，由于氢能系统运行环境复杂，加大了对氢分子或原子层面性能退化认知的难度。因此准确了解并掌握氢结构与功能之间的稳定关系至关重要，具体包括如在临氢界面开展动态过程表征等方法，这将有助于制定新的设计原则并开发更坚固、更稳定的材料以延长氢能系统的寿命。
来源：美国能源部
