美国能源部发布碳中和氢能技术基础科学问题报告

近期，美国能源部发布《碳中和氢能技术的基础科学》报告，探讨了零碳氢能生产、存储和利用等领域的科学问题和技术障碍。该报告提出了绿氢基础科学研究四个优先研究方向，包括：发现和控制材料和化学过程以彻底革新电解制氢系统；操控氢的相互作用机制以充分发挥氢燃料潜力；阐明能源效率和原子效率相关的复杂界面结构、演化和化学问题；认识并缓解性能退化过程以提高氢能系统的耐用性。

 

1、发现和控制材料和化学过程以彻底革新电解制氢系统

 

关键科学问题：如何进行多组件的协同设计，以实现稳定、高效的零碳电解水制氢？

 

电解需要多种组分在特定条件下的协同作用，以实现高活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组分、系统和反应环境如何共同生产氢气。理解多尺度的时间和空间现象，对于针对不同运行环境进行经济高效、稳定的组件（如催化剂、膜和电极层）定向协同设计至关重要。为了实现这些目标，需要开发原位和/或工况条件下动态表征（operando）技术以及计算和/或数据科学工具，以了解工况条件下系统不断变化的复杂情况。

 

2、操控氢的相互作用机制以充分发挥氢作为燃料的潜力

 

关键科学问题：控制和选择性调控氢与其他分子和材料的相互作用需要哪些基本见解？

 

成功实现零碳氢能技术需要控制氢与其他分子和材料相互作用的能量和机理。需控制的能量范围从氢的弱相互作用到氢分子中的强键。实现调节氢相互作用以获得比物理吸附强但比化学吸附弱的特定结合能，将促进氢技术的变革性进展。掌握这种调控将需要能够针对氢存储和利用过程，准确表征分子种类和受限环境中表面和界面的氢相互作用和动力学，并将这些数据整合到预测模型中。

 

3、阐明能源效率和原子效率相关的复杂界面结构、演化和化学问题

 

关键科学问题：如何在多个空间和时间尺度上定制相互作用、不断演化的界面，以实现节能、选择性工艺过程，最终实现零碳氢能技术？

 

多组分、多相界面的复杂性加上氢能系统固有的反应性带来了许多挑战，实现可持续过程需要原子间的高效化学反应，不会浪费材料或产生不必要的副产品。表征、理解和控制多相复杂界面的时空特性和动力学是推进零碳氢能技术的关键。这一重大挑战需要开发集成的、预测性方法，涉及多种技术的耦合和并行应用，包括先进合成，异位、原位和工况条件下动态表征，量子到连续尺度的理论认知和建模，数据科学和机器学习，性能量测，以及耦合这些方法的多模态平台等。

 

4、认识并缓解性能退化过程以提高氢能系统的耐用性

 

关键科学问题：如何识别和理解氢能系统性能退化的复杂机理，以获得能够预测设计更耐用系统的基础知识？

 

认识和缓解性能退化是氢能技术的一项艰巨挑战。由于系统在复杂条件下长期运行，加大了分子或原子尺度上多种降解现象机械论认知的难度。准确认识管控稳定性的结构-功能关系至关重要，包括在界面处开展工况条件下的动态过程表征，这将有助于制定新的设计原则以及开发能够显著延长寿命的更坚固、稳定的材料，尤其是当合成和性能与预测性建模相耦合时更是如此。