2020年9月，我国提出二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。2020年12月，中央经济工作会议把做好碳达峰、碳中和工作列为2021年八项重点任务之一。2021年全国“两会”，碳达峰、碳中和首次写入政府工作报告。一年来，大工人积极聚焦重大问题，发挥科研优势，服务国家战略和地方发展，涌现出一系列助力“双碳”目标实现的优秀成果。现回顾盘点2021年大工新闻网所发布助力“双碳”目标实现的科研新闻，期待在新的一年里大工人继续勇攀科研高峰，再创佳绩！
聚焦人才培养 推进科研合作
2021年10月，我校成为“碳中和世界大学联盟”创始成员。该联盟将聚焦碳中和技术领域人才培养、科研合作与成果转化，推进世界一流大学和学术机构间的合作交流，主动加强应对气候变化国际合作，为全球社会低碳发展，国家和地方实现双碳目标培养拥有国际视野和创新能力的拔尖人才，提供全球领先的技术创新支持。
优化能源结构 开展多点研究
一年来，大工人在开发氢能、发展光伏、发明新型电池、利用生物质资源等方面成果丰硕，为推进能源体系清洁低碳发展贡献大工智慧和力量。
氢能开发
化工学院石川教授团队与北京大学马丁教授团队、中国科学院大学周武教授团队、中科院山西煤化所温晓东研究员团队合作，报道了一种高密度、原子级分散的Pt物种（单位点Pt1物种以及亚纳米Ptn团簇）和α-MoC组成的界面催化结构用于高效催化H2O和CO活化。此催化剂首次在近室温至400˚C的超宽温度区间实现高效水煤气变换制氢，突破了现有催化剂工作温度区间较高且窄的局限，并且大幅度提升了α-MoC负载的WGS催化剂的反应活性及长效稳定性。以贵金属铂的价格为$6,242进行经济衡算，所报道的Pt/α-MoC催化剂首次突破了依据美国能源部2004年车载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值。该研究工作为氢能经济的推广提供了新的技术选择，也为研究者设计高活性、高稳定性的金属催化剂提供了一种新的思路。相关成果发表于《自然(Nature)》杂志。
能源与动力学院唐大伟教授课题组在化学链制氢载氧体研究中取得进展。化学链重整是一种具有二氧化碳内分离特性的先进制氢技术，团队研究了钙钛矿中A位元素对B-O键共价性的影响机制。结果发现，A位元素的离子半径会使钙钛矿结构中BO6八面体发生不同程度的空间扭转，这引起了能量空间中B-O键的共价性的变化，而这一变化可以通过B-O键电荷转移能的变化反映。随后，该工作探究了B-O键的共价性对热力学氧分压的影响规律。结果表明，B-O键的共价性降低使得其电荷转移能增大，这使得载氧体的氧空位形成能和氧离子扩散能垒升高，从而降低了载氧体的氧迁移活性和表明氧活性，以上变化最终导致了载氧体的热力学氧分压增大。该工作阐明了钙钛矿电子结构与热力学氧分压的内禀关系，同时提出了将电荷转移能作为评价载氧体性能的电子描述符，为基于机器学习的钙钛矿载氧体快速筛选奠定了基础。
精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授，报道了一种低能耗、阳极无氯腐蚀的混合海水电解制氢新技术。本技术适用于海水、工业废水等，与商业化碱性电解水技术相比，能耗降低40–50%，碳排放量比天然气重整制氢技术降低90%以上。该技术还可实现水体中剧毒肼污染物的同步快速降解，处理后肼残留值（3 ppb）远低于美国环保署饮用水标准（10 ppb），在高效制氢的同时，净化生态环境。这一技术可与燃料电池或太阳能电池结合，无需供电即可电解海水制氢，在AM 1.5G、100 mW cm-2阳光辐照下，产氢速率可达6.0 mol h–1gcat–1，为发展低能耗、高经济和生态可持续性的低碳制氢技术方法提供了新的思路。
化工学院郭新闻教授研究团队采用分步热解策略，将预聚合的尿素前驱体在惰性气氛下经不同高温热解再聚合，成功制备出了一系列具有可调谐n→π*电子跃迁吸收的高结晶性氮化碳纳米片（UCN-X, X=600-690, X代表热解温度）。UCN-X样品表现出连续的自支撑三维网络结构（SSD），由卷曲的小纳米片相互连接组成，同时富含褶皱以及丰富的产氢活性位点。SSD氮化碳的这些结构特性使其同时具有扩张的π电子体系和部分扭曲的七嗪基结构，不仅增强了氮化碳材料固有的π→π*电子跃迁，而且激发了n→π*电子跃迁，极大地增强了可见光吸收。UCN-670具有最优的结晶型SSD结构和最优的光学性质，应用在常压可见光分解水制氢反应中，表现出9230µmol g−1h−1的产氢速率(Pt 1.1 wt%)，是原始块体氮化碳和氮化碳纳米片的130和7.2倍。
我校博士后张笑闻及其团队为解决国产氢燃料电池汽车储氢系统成本高、效率低、安全性差的技术难题，研发了车载高性能储氢瓶。该团队设计的“碳纤维缠绕高压储氢容器”体现了3项原创技术，产品技术处于国际先进、国内领先水平。基于材料基因工程的复合材料成分设计，提高了储氢瓶内胆的综合性能，保证了结构的安全性；基于结构拓扑优化的储氢瓶本体及缠绕层的多层级结构精细化设计，改善了气瓶结构的力学响应，显著提高了其储氢压力和续航里程；基于有限元数值分析的全流程虚拟制造技术，优化了气瓶内胆成型及纤维缠绕工艺，缩短了气瓶制造周期，降低了生产成本。该产品的推出有望成为氢燃料电池商用车、乘用车、轨道交通、船舶、住宅能源储氢系统的首选解决方案，为氢能源市场蓝海提供储氢系统，助力国家“碳达峰、碳中和”。
光伏发展
化工学院史彦涛教授团队与美国布朗大学Nitin P. Padture教授团队合作，通过表面钝化并运用断裂力学基本原理发展出了一种协同策略，破解柔性PSCs在应力作用下的机械稳定性问题。研究团队通过在3D钙钛矿表面和晶界原位形成低维（LD）钙钛矿，构筑出了一种新型LD/3D结构。该结构中，LD钙钛矿一方面能够有效钝化深能级缺陷并减少电荷复合，显著提升了器件光电转换效率（21%，目前柔性PSCs最高效率之一）和长期稳定性（光照下持续工作800小时仍维持最初效率的90%）；另一方面，LD钙钛矿的存在提高了薄膜的断裂能，有效提升了器件耐弯折性（连续弯折20000次仍维持最初效率的80%）。基于以上新策略，柔性PSCs光电转换效率、工作稳定性与机械稳定性（耐弯折性）获得了同时提升，这为柔性PSCs技术的发展以及未来商业化应用提供了有力支撑。
近日，史彦涛教授团队又联合瑞士洛桑联邦理工Michael Grätzel教授团队及东南大学电子科学与工程学院朱超研究员，创新性地利用碳基负载金属单原子电极材料Ti1/rGO，并结合一种更为先进的器件结构，有效调控了碳基C-PSCs光生载流子界面转移/传输动力学，大幅减少了能量损失。以此为基础制备的新型碳基PSCs能量转换效率高达21.6%，远高于本领域先前报道器件性能（绝大多数<18%）。更加可喜的是，未封装器件在25℃和60℃分别连续照射工作1300 h（氮气保护，1 sun）后，能量转换效率依然保持初始值的98%和95%，展现出了优异的稳定性。
新型电池发明
针对现有锂离子电池体系在能量密度与安全性上的瓶颈，精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授团队利用凝胶电解质中硫化锂正极与硅负极之间的稳定多电子氧化还原反应，在实现高能量密度（506-802 Wh kg-1）的同时，从原理上根除了高活性金属锂负极或释氧正极对电池寿命与安全性的影响，发展了一类具有本质安全性的高能量准固态锂离子电池新体系。获得的软包电池在过热、内/外部短路、机械穿刺/切割及水/氧破损等滥用条件下均具有良好的稳定性，且可在-20至60oC宽温区内正常工作。在联用原位紫外光谱、原位X射线衍射及原位电化学阻抗谱深入理解揭示其多硫化物介导反应机理基础上，发展了限域空间内构建导电吸附-催化双功能活性位点，提升电池在低离子迁移率凝胶电解质中氧化还原反应效率的有效策略。此项工作为弥补二次电池安全性与能量密度之间的鸿沟，发展高可靠性、高环境适应性的新型电池提供了新的思路，在载人交通工具、空间技术、植入医疗等对储能技术安全性、可靠性需求突出的领域极具应用前景。
如何调控软碳微观结构以获得高容量电极材料，并阐明其微观结构与电化学性能构效关系，是新型钠离子储能技术的关键核心问题。蹇锡高院士团队提出了利用Ti3C2TxMXene表面丰富且易释放的端基，消耗沥青前驱体芳香骨架中的氢，改变前体交联度，使沥青的高温石墨化结构转变为高度无序结构，有效抑制了软碳沥青高温石墨化。研究表明，基于TiC@C-3的储钠负极材料较于原始沥青，总容量提升了3倍并展示出优异的循环稳定性，即经800次循环充放电过程后，容量保持率高达96.2％。该研究在微观层面对软碳石墨结构进行了有效调控，显著提升了电极储钠性能，阐明了钠储存行为与电极材料结构演变之间的相关性，且该策略具有一定的普适性，为新型高性能钠离子电池/电容器电极材料的设计提供了新思路。
能源与动力学院李明强副教授课题组研发出一种固态柔性氯离子电池，该动力电池为改变电动汽车的结构提供可能。这种新型动力电池使用水性固态电解液，安全性得到了大幅度提升，折叠至180°依旧可以保持其电池容量。课题组通过将“盐包水”体系引入到固态柔性隔膜中，成功开发出固态柔性氯离子电池，该电池安全环保、成本低廉，放电平台在2.0 V以上，并且电池放电比容量达到200 mAh/g，同时最高使用温度可达150℃，使用寿命为12000次以上。而且这种电池可以任意角度弯曲折叠，这使得该种电池可以制成汽车轿厢及其他部件，而不像传统电池需要专门的储存空间，这为改变电动车的结构提供了可行性。
生物质资源利用
张大煜（化学）学院王敏特聘研究员团队和大连化物所王峰研究员团队合作，发展了一种载体氧缺陷介导的生物质直接甲烷化新方法，将生物质氧化到CO2与CO2催化加氢到CH4过程耦合起来，成功发展了较温和条件下生物质资源直接甲烷化过程，实现了包括木质纤维素在内的生物质资源在温和条件下(< 200ºc)的高选择性转化到甲烷。研究发现，生物质分子被ru/tio2催化剂的晶格氧氧化至CO2，并在催化剂上生成氧缺陷。随后，CO2加氢还原到CH4过程中，裂解出的氧原子会填充氧缺陷从而恢复催化剂。该催化过程在温度低至120ºC时依然可以稳定催化甘油水溶液产生CH4。本研究为生物质资源的有效利用提供了新的思路，为生物质资源的利用开拓了新的路径。
此后，该研究团队又发展了一种生物质光催化氧化重整制备一氧化碳的新方法。研究团队制备了一种CdS@g-C3N4核壳型催化剂，促进氧气的吸附活化，产生羟基自由基活性氧物种。通过控制氧气与底物的比例，既能加速反应进行，同时避免底物过度氧化至二氧化碳，成功实现了温和条件下生物质多元醇高效地转化为一氧化碳。在自然太阳光照条件下，该催化体系依然可以稳定催化甘油产生一氧化碳。
保护生态系统 实现绿色发展
助力“双碳”目标实现，除开发清洁能源、推动能源结构调整升级外，加速低碳技术研发推广、提升生态系统碳汇能力等也是极为重要的路径。大工研究团队通过固碳、固氮、开发清洁生产工艺等方面的研究推动实现绿色发展，助力生态文明建设。
固碳
生物工程学院迟占有教授团队系统总结了经碳酸氢盐途径固定CO2生产微藻方面的研究进展，并指出了未来研发方向，为利用微藻实现“碳中和”明确了关键路径。微藻在地球早期将大气中>10%CO2固定为有机碳，如今在全球生物圈固碳中仍占据半壁江山。微藻可为合成生物学提供光自养底盘细胞，在直接固定CO2生产各种生物工程产品（食品、饲料、酶、生物化学品、可降解塑料、生物燃料等）方面有重大应用潜力，其大规模产业化对实现“碳中和”具有重要意义。
张大煜（化学）学院段春迎教授团队选取有高稳定性和CO2吸附能力的UiO-66,通过高温热解的方法将其制备成为具有丰富缺陷的多级孔道结构，并通过水热法将MoS2纳米片注入UiO-66多级孔道中，制备d-UiO-66/MoS2复合纳米材料，用于光催化分解水和还原CO2。该复合材料在可见光照射下可以将直接CO2和H2O蒸汽转化为CH3COOH和O2。这种新的催化方法不需要任何其他的电子牺牲剂或氢源，直接利用水的光分解作为氢源产生燃料和化工产品，是燃烧过程的逆过程，在实现“碳中和”的研究中具有重要理论价值和应用意义，有望发展成为有效减少碳排放的创新技术。
固氮
精细化工国家重点实验室曲景平教授研究团队与中国科学院大连化学物理研究所叶生发研究员等合作，在仿生化学模拟生物固氮酶研究领域取得新进展，为这一科学难题提出解决方案。该团队使用廉价易得的双核铁硫簇合物为反应前体，设计合成了第一例结构明确的硫桥联双铁氮桥固氮酶模型配合物。该双铁氮化物能够在电子/水存在的仿生条件下，通过连续的质子耦合电子转移(PCET)过程，实现高效还原转化放氨，同时双铁核心结构在放氨后得以保持。更重要的是，该双铁氮化物还可以在温和条件下直接活化氢气，利用协同效应实现高效还原转化放氨，通过进一步的实验化学与计算化学结合，证实了双铁胺化物是该氮化物氢化还原放氨过程的关键中间体。结构组成明确的仿生分子配合物不仅可以提供与工业合成氨机制相关的新见解，还可以提供与生物氮气功能化相关的新视角。
清洁生产工艺
精细化工国家重点实验室孙立成院士、李福胜研究员等人受生物固氮酶中铁钼活性因子的启发，以双金属氧化物为底物，通过阴离子交换策略，构建了钨、铁双金属硫化物催化剂应用于电催化氮气还原反应，并通过实验手段揭示该催化剂电化学氮气还原的速率控制步骤。本研究中，测试气体通过严格的预处理，同时实验采用同位素标记的15N2为原料，通过核磁共振氢谱对产物中氮的来源进行了标定，确保了实验结果的可靠性。该催化剂展现出了优异的氮气还原性能，在相对较低的电位下（−0.45 V vs. RHE），氨气产率高达30.2 ug h-1mg-1，以及16.4%的法拉第效率。
张大煜学院段春迎教授团队设计了一个含有氢化酶催化中心的金属-有机超分子结构，利用该结构与乙醇脱氢酶结合构建的“套娃”式集成组装体作为催化平台，在温和条件下成功实现光催化乙醇裂解。金属-有机超分子利用刚性平面配体的芳香堆积作用位点和多个酰胺氢键作用位点结合平面构型的有机光敏染料和天然辅酶，诱导准分子内电子转移过程，实现了光催化质子还原产氢，进而将该三元光催化体系与天然乙醇脱氢酶相结合，在温和条件下成功驱动了非光活性天然酶蛋白与人造催化剂的协同，并在“一锅法”中实现氧化还原中性的乙醇光裂解催化。这种闭合的催化模型不使用电子牺牲剂，符合循环经济以及国家能源与环境发展的长期需要，为精细化学品催化合成提供了新的设计思路。
