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能源化学转化的本质与调控

心灯佛教网 | 发表于2017-08-22 21:40 | 归属于科技之光 | 被阅读

   能源化学转化的本质与调控

  1 立项背景和意义

  能源是国家以及人类社会生存和发展的重要基础,在国防和国民经济建设中具有特别重要的战略地位。近几十年来,随着经济的快速发展、能源需求的迅猛增长,我国已成为世界最大的能源生产国和消费国,也是仅次于的第二大石油进口国和消费国。我国特殊的“富煤、少气、缺油”能源结构现状以及较低的能源利用效率,给社会经济的可持续发展、环境保护等带来了巨大压力。这些问题的解决在很大程度上依赖于高效、环境友好的能源利用技术的发展,以及新洁净能源的开发。

  化学在能源开发和利用上起着极其重要的作用,绝大多数的能源利用实质上就是能量和物质不同形式之间的转化过程,而能源和不同化学物质之间的转化都是通过化学反应直接或间接实现的。能源的化学转化主要涉及的化学反应形式包括热化学反应、光化学反应、电化学反应等,因此对于相关重要化学反应过程开展详细的动态以及控制机理的研究,必将极大地促进高效能源转化技术和洁净能源的发展。

  中科院战略性先导科技专项(B 类)“能源化学转化的本质与调控”将针对我国未来能源发展有决定性影响的 3 个能源化学转化动态过程,开展前沿科学和技术研究,包括高效燃烧化学过程、基于催化技术的碳资源高效利用以及基于光催化的洁净太阳能化学转化。这 3 个能源化学转化过程对于能源转化中涉及的化学学科发展具有重要科学意义。其中燃烧化学主要涉及到气相化学反应,而在多项催化和光催化中,化学反应主要发生在材料的表界面上。这些能源化学转化过程都蕴含着化学反应动态过程中的重要科学问题,所涉及到的化学反应和过程,由热、光和电分别或共同驱动,如何理解这些过程的动力学规律以及如何更好地控制能源化学转化过程是化学领域未来发展所面临的重大科学前沿。而在原子和分子水平上揭示相关的化学反应过程动态机理则是理解能源化学转化动态过程的关键,更是能源化学转化过程选择性调控的基础。在真实的燃烧、多相催化和光催化反应条件下,化学反应是如何发生以及催化材料的表界面结构和活性中心如何动态演化,是本专项所要集中研究的核心所在。这些前沿挑战的突破必将有助于发展新的能源转化过程,有助于解决经济可持续发展所面临的能源和环境问题。

  本专项将以解决我国能源化学转化过程中的重大科学问题和技术挑战为目标,发展以先进光源(极紫外自由电子激光以及同步辐射光源等)为主要基础的实验技术和方法,实现能源转化过程中相关化学反应的高灵敏度原位动态探测。同时发展新的理论方法及模型,在微观的原子分子水平和宏观的统计水平两个层面上研究能源转化化学反应的动态本质。通过理论和实验的紧密结合,专项将揭示涉及到燃烧、多相催化和光催化等重要过程的基本规律和机制。结合前沿高新技术的发展,实现对相关能源化学转化过程的动态调控,为解决能源化学转化相关的重大科学技术问题提供科学基础、技术储备以及解决方案。通过未来 5 年的努力,把我国在能源基础研究领域的工作全面提升到国际先进水平,打造一个世界级的能源基础研究平台,为解决我国能源基础领域的科学和技术难题作出重要贡献。

  2 研究内容

  专项从我国能源需求实际出发,以解决能源化学转化中的重大科学问题为目标,发展以新一代极紫外激光光源为基础的实验技术和方法,发展新的理论方法及模型,通过理论模拟和实验的高度结合,实现能源化学转化过程的动态调控,为解决能源转化相关重大科学技术问题提供坚实的基础和方案。基于本专项的总体研究目标,专项设置了 3 个研究项目。

  (1)燃烧化学及化学激光动态研究。燃烧的本质是气相化学反应,化学反应是燃烧的主要控制要素,因此提高燃烧化学转化效率离不开对化学转化本质的认识与调控。本项目研究内容是以新一代极紫外激光光源为基础,结合里德堡态氢原子时间飞渡谱和离子切片成像等技术,发展高灵敏度原位动态测量技术,研究燃烧及化学激光相关的基元化学反应动力学,实现重要燃烧体系的原位动态测量,发展燃烧以及量子态粒子束调控技术,调控 HF 化学激光单量子态布局,以期实现 HF 单量子化学激光(大气窗口)的高功率输出。项目的承担单位为中科院大连化学物理所和中国科学技术大学。

  (2)面向碳资源优化利用的表界面催化研究。催化是化学、物理、材料等领域的综合交叉学科,发展新的催化转化方法与技术,实现不同化学能之间的转化,是提高资源转化利用效率、降低资源消耗的重要途径。催化反应在本质上是一个动态过程,往往需要通过剖析处于工作状态的催化剂微观结构实现对催化过程本质的认识。本项目的主要研究内容是发展高灵敏度的原位动态实验技术以及理论模拟方法,在原子、分子水平上研究表界面化学反应的动态机理,揭示不同活性中心调控 C-C 键偶联、C-O 键 /C-H 键活化的微观机理,发展催化 C-C 键偶联、C-O 键 /C-H 键活化反应的新技术和新过程,大力推进新一代碳资源(甲醇、甲烷、合成气)转化工业技术的发展。项目的承担单位是中科院大连化学物理所。

  (3)高效太阳能光化学转化。光合作用是地球上最重要的化学反应,是太阳能转化为化学能的范例,深刻揭示光合作用发生以及调控原理,模拟光合作用系统构建人工合成体系和发展光敏化、催化技术,是实现太阳能高效转换的必由之路。围绕高效太阳能化学转化这一主题,本项目将深入研究自然光合作用中重要膜蛋白复合体的结构、功能及调控机制,阐明光合作用原初反应过程中高效吸能、传能、转能和调控机理,为提高作物的光能利用效率,实现高效太阳能化学转化提供理论依据;模拟光合作用系统 I 和系统 II,构筑高效、廉价的太阳能光催化分解水制氢和 CO2 还原的人工光合体系,实现高效太阳能转化为化学能;发展光催化制备重要化学品的新反应和新技术,提高资源利用效率;建立飞秒时间分辨的飞秒激光泵浦-射线探针系统,为光合作用过程的研究提供新的超快时间分辨的 X 射线谱学诊断手段,发展生物分子无标记的检测方法和技术。项目的承担单位有中科院理化技术所、中科院大连化学物理所、中科院植物所、中科院物理所、中科院化学所。

  3 未来展望

  “能源化学转化的本质与调控”先导专项的依托单位为中科院大连化学物理所和中科院理化技术所。专项集合了中科院在该领域的多家优势单位,充分体现了中科院建制优势和多学科集成的综合优势。这些研究单位拥有一批研究经验丰富、科学素养很高的老中青科学家,通过多年的合作已经形成了一支优势互补的研究团队。

  目前,这支研究队伍包含有中科院院士 10 人,“杰青”“优青”“千人计划”、中科院“百人计划”等获得者 38 人。这支研究队伍不但具有科学研究的能力,而且还具有研制高水平实验装置和仪器的能力,近年来相继研制出数十台分子动力学研究用的实验装置和仪器,如通用型和专用型分子束实验装置、表面光化学装置、同步辐射光电离质谱和燃烧动力学实验装置、超快过程实验研究系统、动力学光谱、飞行时间质谱、电子能谱仪等。掌握、应用和发展了各种实验技术,如交叉分子束、光谱、质谱、超快光谱、粒子探测、时间和空间分辨探测技术等。这对从事现代化学反应动态学实验研究是非常重要的,因为化学动态学实验所需要的很多大型仪器都要根据研究工作需要自行设计和研制,化学动态学的每一个重大进展都是和新技术、新方法的发展与应用密切相关的。

  在国家自然科学基金委员会资助下,中科院大连化学物理所负责研制的基于超快激光与高能电子束相结合的可调极紫外相干光源的综合实验研究装置已安装完成并出光,为能源化学研究提供了绝佳的机遇。这一可调高亮度的极紫外激光光源将大幅度提升能源化学反应产物和中间物的探测效率,对于能源化学过程的研究有极其重要的意义,很有希望成为一个世界上独特的研究能源及环境相关基础科学问题的实验平台。

 

本文标题:能源化学转化的本质与调控

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