国家自然科学基金能源化学发展规划和布局概况

正我国是世界上最大的能源消费国和温室气体排放国,能源是关系我国经济社会可持续发展的重大问题. 2020年9月,习近平总书记宣布"中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和",因此,需要大力发展碳中和技术体系和碳中和产业,积极推进能源革命[1].绝大多数的能源利用实质上是能量和物质不同形式之间的转化过程,     

什么是碳中和？

正碳中和在近年来的关注度不断提高。什么是碳中和呢?如果某家企业全年生产排放了2000吨碳,同时该企业全年种植了一定面积的林木,每年可吸收2000吨碳,那么这家企业排放的碳就相当于这些林木所吸收的碳,也即实现了"碳中和"。除了种植林木,采用新能源替代化石燃料或采用节能减排技术,也能帮助企业实现碳中和。     

绿色低碳工业变革性技术及策略

<正>碳中和是国家重大战略,将推动能源及产业技术革命,重塑工业结构和人类生活方式.工业过程是我国能源消耗和二氧化碳排放的主要领域,工业过程的碳减排既是挑战也是机遇.我国是世界工业大国,工业体系门类齐全、规模宏大,其中钢铁、水泥(https://www.163.com/dy/article/ILRJRM4H0534PAAE.html)、电解铝(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1772531617627423742&wfr=spider&for=pc)产量均占世界总产量的一半以上,     

多学科融合共促碳达峰与碳中和

<正>实现碳达峰碳中和(简称“双碳”),是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策.党的二十大报告明确提出,要积极稳妥推进碳达峰碳中和,深入推进能源革命,加快规划建设新型能源体系,推动能源清洁低碳高效利用,确保能源安全,提升生态系统碳汇能力,加快发展方式绿色转型.     

第三代生物炼制的挑战与机遇

化学品和燃料的可持续生产以及缓解温室效应是目前人类面临的两大挑战.传统生物炼制技术可进行石化产品的替代生产,且绿色低碳;然而有些人类活动不可避免地产生碳排放,为了实现碳中和目标,迫切需要发展负排放技术以抵消这些排放.近年来,可直接将二氧化碳转化为燃料和化学品的第三代生物炼制技术为我们塑造低碳经济、实现碳中和提供了一个良好的解决方案.本文首先介绍固定二氧化碳的不同天然途径,随后概述可用于基于合成生物学理念设计的不同人工固碳途径;接着,讨论固碳途径能量的来源,特别强调非生物过程辅助的新型能量供给方式;随后,列举第三代生物炼制的生产实例,并讨论其在工业应用过程中值得注意的问题;最后,展望第三代生物炼制的主要优势和面临的挑战,并对未来的研究方向进行讨论.     

“双碳”目标对我国未来空气污染和气候变化的影响评估

近期,我国提出实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标和时间节点,未来我国空气污染和气候变化的发展趋势备受关注.本研究利用区域气候-化学-生态耦合模型Reg CM-Chem-YIBs,基于代表性浓度途径气候情景RCP4.5,使用中国未来排放动态预测模型（Dynamic Projection model for Emissions in China,DPEC）2030年排放数据,模拟预测了考虑实现“双碳”目标的情景下,未来区域减排政策和全球气候变化对我国空气污染与气候变化的影响.研究表明,相对于2015年,在未来区域减排政策和全球气候变化的共同作用下,2030年中国地区细颗粒物(PM_2.5)、臭氧（O₃）、二氧化碳（CO₂）平均浓度相对2015年分别下降了36.8、19.8μg m^-3和1.9 ppm(1 ppm=1μL L^-1).我国南方地区的气温将有明显升高,升高幅度在0.5～1.5 K之间,降水和云量分别减少了1～2 mm d^-1和3%～6%;北方地区气温有所...     

我国典型区域二氧化碳和细颗粒物精细化协同减排路径

随着碳达峰、碳中和目标的提出,我国环境保护进入减污降碳协同治理新阶段.目前研究主要探寻空气质量政策或气候政策对二氧化碳和细颗粒物的减排效益.而从二氧化碳和细颗粒物排放终端能源消费重点行业、主要能源以及主导因素等角度出发,来探究我国典型区域协同减排路径精细化方法的研究则鲜见报道.本研究基于2000～2020年我国京津冀、长江三角洲、珠江三角洲典型区域能源消耗数据,首先探明了3个典型区域二氧化碳和细颗粒物终端能源消费的重点排放行业均为工业;并进一步甄别了终端能源消费重点行业中PM_2.5排放主要能源为煤类能源,而CO₂排放主要能源由煤类能源逐渐转向煤、气类能源,但煤类仍为主导地位;随后使用因素分解模型解析了能源强度、技术进步等主导因素对单位国内生产总值的二氧化碳以及细颗粒物的影响效应;最终利用能源-环境核算预测模型,基于上述研究识别的终端能源消费重点行业、主要能源以及主导因素进行情景分析,旨在判断典型区域不同情景下碳达峰情况,进而寻找协同减排最优路径.结果发现,“技术进步”因素在前期减排效果最好;“能效提升”因素的减排效果在长时期碳污协同减排将起到...     

机械工业应对“双碳”的机遇与挑战

<正>为应对全球气候变化,我国积极行动,逐步构建了碳达峰碳中和(简称“双碳”)的政策体系,对我国工业绿色低碳发展提出了更高要求^[1～6].机械工业是我国国民经济发展的基础性产业,为国民经济各行业提供技术装备,所提供技术装备的节能低碳化是各行业实现节能降碳目标的重要保障^[7,8].在“双碳”目标约束下,机械工业面临诸多机遇与挑战.     

质子交换膜燃料电池催化层模型研究进展与展望

质子交换膜燃料电池是一种零/低碳排放的高效能量转换技术,对我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义.催化层是直接决定电池性能与寿命的关键组件之一,也是电池规模化商用的核心.催化层具有复杂的多物理场多尺度耦合输运反应过程,需要借助精确的数值模型来理解内部的传输与反应机制.本文回顾了近年来氢燃料电池催化层模型的研究进展,重点介绍了典型模型的建模思想,讨论了不同模型的适用性,简述了典型应用参考实例,并对模型的未来研究方向提出了一些建议.     

长江三角洲区域大气PM2.5和臭氧污染协同控制路径

国家“碳达峰、碳中和”战略目标（以下简称“双碳”目标）的提出对长江三角洲（以下简称长三角）高质量一体化发展赋予了新的要求.本文基于长三角区域精细化排放清单和WRF-CMAQ模型,模拟了不同政策情景下区域空气质量改善情况.结果显示,绿色低碳情景（CP）较趋势照常情景（BAU）和末端强化情景（EP）具有更大的减排潜力,是实现绿色美丽长三角目标的重要路径.CP情景下,与2017年相比,预计2025年SO₂、NO_x、NMVOCs（non-methane volatile organic compounds）、一次PM_2.5排放将分别下降55.1%、26.5%、25.2%、27%;2035年,则将分别下降66%、56.4%、36.1%、39.4%.截至2035年,区域PM_2.5年均值和臭氧日8 h最大值第90百分位数（O₃-8 h 90th）将分别达到26和129μg m^-3,50%地级市PM_2.5年均浓度将达到世界卫生组织第二阶段指导值.综合...     

加强海洋生物碳泵地质演化的研究

<正>海洋生物碳泵的地质演化是一个涉及地球系统各圈层相互作用的前沿科学难题,被列入了国家自然科学基金委员会和中国科学院联合资助的地球系统科学发展战略研究报告.如果说现代海洋生物碳泵的研究目的在于查明海洋储碳的途径和机制并服务于碳中和等目标的话,那么古海洋生物碳泵则更多地记录了它与一些重大地质事件的关系,包括古气候的冷暖变化、海洋缺氧事件、生物大灭绝事件等涉及地球整个表层系统乃至地球深部过程的一些重要环节.     

氢能技术科技前沿与挑战

<正>氢能可再生、零排放且能量密度高,其开发和利用已成为新一轮世界能源技术革命的重要方向,也是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要路径之一.基于燃料电池技术,氢能未来将成为支撑可再生能源如太阳能、风能大规模利用的理想能源互联网媒介.美国、日本、德国、韩国等于21世纪初已将氢能产业提升至国家能源战略的高度,制定氢能发展政策,明确氢能产业地位,持续支持氢能技术研发,积极推动试点示范和多领域应用.我国在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中明确将“氢能与燃料电池技术”列为15项重点创新任务之一.     

低碳，你真的了解吗

正2021年8月23—29日为全国节能宣传周,8月25日为全国低碳日。此次全国节能宣传周活动的主题是"节能降碳,绿色发展",全国低碳日活动的主题是"低碳生活,绿建未来"。一系列宣传活动有助于普及低碳知识、增强节能意识,推进实现碳达峰、碳中和,促进经济社会发展全面绿色转型。什么是低碳?什么是碳达峰、碳中和?如何做到绿色低碳发展?下面小编就来为你一一解答。     

矿物增效的生物泵:基于矿物-微生物作用的水体CO2增汇策略

<正>2015年12月,人类应对全球气候变化危机的重要国际公约——《巴黎协定》(Paris Agreement)在巴黎气候变化大会上通过.《巴黎协定》提出,要将全球21世纪的平均气温上升幅度(相比前工业化时期)控制在2°C(甚至1.5°C)以内.目前,中国、美国、德国、法国等世界主要大国已签署了该协议,部分国家还提出了“碳中和”甚至碳负排放的中期目标与完成时间表.     

“偷师”大自然:仿生海洋防污技术

<正>海洋生物污损指的是海洋中的细菌、藻类、藤壶等在水下表面附着和生长的一种现象[1].生物污损会增加船体阻力、加速表面腐蚀、破坏螺旋桨,导致额外的油耗和过高的维护成本.额外的油耗加剧了CO2、SO2等气体的过量排放,影响各国政府对"碳中和"目标的实现.海洋生物污损还对跨海大桥、钻井平台、养殖网箱、海底管道等多种水下设施具有负面影响[2].据统计,海洋生物污损每年给全球海洋工业造成的损失超过150亿美元[3].传统的防污涂层一般通过释放有毒物质(例如氧化铜、三丁基锡等)杀死污损生物来达到防污效果.     

“四脚兽穿新装”——创碱性析氢新纪录

<正>自工业革命以来,人类经济社会发展依赖于过度消耗化石燃料,导致严重的能源危机;产生的大量CO₂排放到大气中,也给生态环境带来巨大的威胁^[1].在这种背景下,利用间歇式可再生电力驱动水电解获得“绿氢”,进而发展氢循环经济,将为加快实现“双碳”目标提供一种重要的解决方案.     

绿色碳科学发展

<正>目前,世界人口不断增加,资源和能源短缺日趋严重,环境日益恶化,人类正面临前所未有的生存危机.妥善解决经济、资源、环境三者之间的矛盾,实现可持续发展是人类无法回避的重大难题.碳对于人类的生存和社会发展具有不可替代的作用.碳是构成地球上生物的重要元素,没有碳就没有人类本身.从资源角度看,碳资源对于人类也极为重要.碳资源包括不可再生的化石碳资源和可再生的碳资源.不可再生     

吸附法碳捕集技术的规模化应用和挑战

实现2030年碳达峰和2060年碳中和是能源领域的当前决策和长远愿景,为此必须更加紧密结合全球能源发展趋势及国家能源策略,在碳捕集与封存领域投入研发力量.近几十年来,吸附法作为一种极具应用潜力的碳捕集技术得到了快速发展.例如,对高性能吸附剂的开发进行了大量探索;适用于碳捕集的吸附循环过程得到了显著的发展;先进的吸附剂结构和装置不断被提出;将吸附过程与其他分离和/或反应过程进行耦合的复合吸附技术得到了广泛关注;吸附法碳捕集技术的应用领域也得到了拓展.为此,本文介绍了各种吸附法碳捕集循环过程,归纳总结了目前超出实验室级别装置(技术成熟度TRL5～7)的技术特点、分离性能、运行能耗和成本,应用场合包括了燃烧后碳捕集、燃烧前碳捕集和直接空气碳捕集.对吸附法碳捕集技术作了评述,指出了其在未来发展中面临的机遇和挑战.     

在1T'-二硫化钼上生长单原子分散的铂实现高效电催化产氢

<正>随着全球环境和能源危机的不断加剧,开发能够取代传统化石燃料的高效、清洁、可再生的新型能源成为21世纪人类社会的重要发展方向.氢气是一种绿色清洁的新型能源载体,氢能的发展是构建清洁低碳的新型能源体系和实现能源安全与可持续发展的重要途径,有助于国家实现碳达峰、碳中和的目标.电解水包括阴极析氢和阳极析氧两个半反应,     

基于碳烟表面活性的多步碳烟生成机理研究柴油机碳烟生成的主要影响因素

随着排放法规对发动机碳烟排放量以及碳烟颗粒尺寸的要求日益严格,柴油机部分预混燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数,可以实现高热效率与超低的碳烟排放.这样使得燃烧边界条件对碳烟生成过程的影响成为研究的关键问题.本研究利用三维CFD数值模拟方法,耦合正庚烷化学动力学简化模型以及改进的多步现象学碳烟模型,来预报以正庚烷为替代燃料的柴油机部分预混燃烧过程及其排放特性.乙炔作为碳烟前驱物形成以及碳烟表面生长的主要组分,其生成历程的准确预报为模拟碳烟形成奠定了基础.碳烟表面生长过程是碳烟质量积累的重要过程,本研究引入碳烟颗粒活化表面比例分数αCH作为评价碳烟表面活化程度的标准,探讨了不同燃烧边界条件对碳烟表面活化程度的影响.研究结果表明,对于混合气均匀的燃烧工况,氧浓度降低导致燃烧温度降低,引起单位面积上的碳烟生长速率大幅降低是表面生长速率减慢的主要原因,最终导致碳烟的生成量减少;随着混合气分层程度增加,燃烧过程中积累了大量未燃碳氢化合物,促进了乙炔的生成和碳烟表面活化程度升高,加速了碳烟表面生长过程,导致最终碳烟排放恶化.此外,燃烧过程中残留的CO对碳烟后期氧化产生一定的抑制作用.