氢冶金的发展历程与关键问题

在“双碳”(碳达峰碳中和)战略背景下,以氢代碳的氢冶金成为钢铁企业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。以《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》的通过为时间节点,梳理和追溯了氢冶金的发展历程。从“以煤代焦、以气代焦”到“以氢代碳、以氢减碳”,铁矿石冶炼工艺由以减少焦炭和焦煤依赖为初衷,转变为以降低碳排放为重心,再到以净零碳排放为最终目标,逐渐形成高炉富氢冶炼和全氢直接还原工艺两大技术路线。从目前中国钢铁生产结构以及降碳目标来看,长流程产钢量占90%,高炉炼铁碳排放占比大、基数大。高炉低碳冶炼是规模化实现中国钢铁工业低碳的重要路径,而高炉富氢冶炼对“双碳”过渡时期的炼铁工业应用具有重要意义。从未来钢铁行业发展及能源结构转变来看,全氢直接还原工艺是实现钢铁行业净零碳排放的重要路线。发展氢冶金的关键问题包括如何解决绿色经济化制氢和安全规模化用氢。     

太阳能热化学循环制氢研究进展

太阳能热化学制氢被认为是能源可持续利用最具潜力的途径之一,对推进“碳达峰、碳中和”目标的实现,缓解能源与环境危机具有重大的战略意义.直接热解水虽能实现近零碳排放制氢,然而超高的反应温度以及氢、氧产物分离难等问题,使之难以应用于规模化产氢.太阳能热化学循环间接分解水制氢,通过载氧材料循环来降低直接热解水温度,并实现氢、氧产物分步分离,将间歇、波动、能流密度低的太阳能转化为稳定、高密度的氢气化学能,受到广泛的关注和研究.然而,受限于太阳能热化学循环制氢存在的温度高、效率低、经济性差等诸多瓶颈问题,当前研究仍停留在理论分析与实验研究阶段,阻碍着该项技术的进一步发展.本文围绕太阳能热化学循环制氢,综述了不同循环体系的发展历程及重要进展,并对热化学循环所面临的主要挑战进行了讨论与建议,以期为太阳能热化学循环的研究和发展提供新见解与新思路,为太阳能燃料的高效、稳定、安全以及大规模生产奠定基础.     

面向碳中和的高温熔盐电化学技术

高温熔盐电化学反应具有反应动力学快、选择性好的优点,可用于能源存储与转换、金属材料的提取和纯化、二氧化碳的捕集和转化利用、退役金属材料的循环利用等领域,利用清洁电能驱动的高温熔盐电解技术可实现从源头、过程和末端全流程降碳减排.本文简要回顾了近20年来武汉大学在高温熔盐电化学方向的主要研究工作,包括熔盐电解固态化合物冶金(低碳提取)、熔盐捕集-电解转化CO₂(碳捕集与转化)、熔盐电化学制备功能材料(材料低碳制备)、熔盐电解回收能源金属材料(低碳绿色循环)和高温电解器关键材料(析氧阳极),形成了固态化合物还原反应动力学“三相界线”理论,丰富了高温惰性合金析氧阳极选材数据库,揭示了阳极氧化膜稳定服役机制,发明了熔盐电化学阳极氧化冶金新方法,提出了“熔盐电解质酸碱性-电极反应调控”新策略,并为新能源产业可持续发展所需的“前端原材料清洁提取”和“末端退役能源材料回收利用”提供新方法和新技术.以此为线索,评述了面向碳中和的高温熔盐电化学所面临的机遇与挑战,讨论了高温熔盐电解基础理论和应用技术的发展趋势,展望了清洁电能驱动的熔盐电解技术在实现碳达峰、碳中和目标中的潜在贡献.     

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.     

氢燃烧特性对氢内燃机性能的影响

氢能开发是“双碳”战略中的重要一环，目前氢能主要是通过氢燃料电池把化学能转变成电能的形式得以应用。与此不同，氢内燃机则是将氢能直接转变成机械能，应用在交通、机器运转、发电等众多领域，对氢能发展具有重要的推动作用。氢内燃机与传统内燃机的最大区别是用氢气取代传统的化石燃料，因此，氢气的燃烧特性对内燃机的性能具有很大影响，对内燃机的结构也提出新的要求。至今从氢燃烧特性的角度去理解氢内燃机的研究不多，为此，文章尝试从氢气燃烧特性的角度出发理解氢内燃机的性能，并重点对氢内燃机的热效率、输出功率、NO_x排放、异常燃烧等性能进行分析和讨论。结果显示，氢内燃机比传统内燃机和氢燃料电池在节能减排、输出功率、成本等方面具有更加优异的综合性能，是氢能-电能转换的另一种有效的方法。氢内燃机的发展也能促进氢能的大规模应用，其性能受到氢气燃烧特性的影响，氢燃烧特性的控制对氢内燃机性能的提高非常重要。     

湖泊——内陆水体微塑料污染的热点区域

近年来越来越多的研究开始关注内陆水体的微塑料污染状况。湖泊由于其独特的水文水动力特征，可能成为流域内微塑料的重要汇，因此湖泊也是内陆水体微塑料污染研究重点关注的区域。目前，对北美洲、亚洲、欧洲、非洲和南美洲大中型湖泊的相关研究发现了丰度较高的微塑料污染。流域内人类活动产生的塑料垃圾是湖泊微塑料污染的主要来源，并且对湖泊中微塑料的分布产生重要影响。人类活动密集的湖泊和水库区域微塑料丰度也较高。风力和湖流作用下微塑料在湖泊内水平迁移；而在相对静稳的湖泊中，水动力条件、生物膜和颗粒物的协同作用、水生生物的摄食，使得微塑料从水表层到沉积物表层垂向迁移。未来，湖泊微塑料污染还需要采用标准化调查方法，进一步解析微塑料污染的来源，并从生态系统角度评估湖泊微塑料污染的毒性效应。     

深度模型水印

深度神经网络模型凝结了设计者的智慧，需要消耗大量数据和计算资源，是人工智能技术的重要产出物，已被广泛应用于生产和生活当中。然而，作为一种数字产品，如何保护深度神经网络模型免于被非法复制、分发或滥用(即知识产权保护)是人工智能产业化进程中必须面临和解决的难题。文章主要介绍基于数字水印的深度模型产权保护技术，通过总结深度模型水印的发展现状，对深度模型水印的研究趋势进行展望。     

柔性可穿戴传感器及大面积阵列制造新方法

柔性可穿戴传感器作为穿戴式电子系统的重要组成部分，在个人健康监护、人机交互体系以及人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景，是当下最前沿的研究领域之一。文章概要介绍了不同类型的柔性可穿戴传感器的研究现状，简略归纳了柔性传感器中的关键技术参数，同时对柔性传感器大面积阵列制造所面临的挑战及新方法进行了阐述和分析，最后展望了柔性传感器未来的发展趋势。     

青藏高原关键区域土地覆被变化及生态建设反思*

青藏高原独特而敏感的生态系统,是中国生态安全屏障的重要载体,也是区域经济发展的必要基础。生态建设是生态文明的需求,也是社会经济可持续发展的保障。由于青藏高原内部自然条件差异显著,各区生态功能及区域问题也不尽相同,生态建设亟需因地制宜地提出建设与保护的对策和措施。本文从生态系统的主要功能、脆弱程度、变化趋势及面临风险等特征,辨识出阿里西部、那曲中南部、三江源地区和三江并流区等4 个生态建设的关键区;并在分析各区环境和生态特征与土地覆被变化及其原因的基础上,提出了稳定和提升青藏高原生态安全屏障功能的措施与建议,对于高原生态安全屏障保护与建设具有重要的参考价值。     

海盐中微塑料的研究进展

自从海盐中检测出微塑料以来，其健康风险已引起广泛的关注。文章综述了海盐微塑料的来源、分布、物理特性、化学组成、检测技术以及相关研究进展，并对未来的研究进行展望。研究表明，海盐中微塑料可能来自海水及加工过程，产自亚洲的海盐中微塑料丰度相对较高。检出的微塑料尺寸大多小于500 μm，其主要成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。海盐微塑料检测技术主要有光学显微镜法、光谱分析法、热分析法等。     

一沙一世界——藏于海底的地球环境变迁史

世界一些大陆边缘沉积记录连续性好,堪称记录地球环境变迁和陆海相互作用历史的档案馆。河流系统作为联系陆与海的枢纽,是大陆边缘从源到汇系统中传递地球环境演变信息的关键。由于河流从源到汇系统中存在复杂的"缓冲区"和"中间过程",最终入海河流沉积物的真实通量、组成与原始的源区特征存在显著差异,不同的河流系统具有截然不同的环境信息传递模式,需要慎重解读。东亚大陆边缘作为典型的"河控型"宽陆架边缘海,接收世界大河长江/黄河和台湾山溪性小河的巨量入海物质,是全球开展河流源汇过程和多时空尺度陆海相互作用研究的理想地区。要深入理解边缘海典型沉积体系的物源、成因和蕴含的古环境信息,需要以"从源到汇"和地球系统科学的思路,深化对"源"区组成时空变化的研究,更要加强研究源区信号从陆向海的传递并最终在边缘海保存的过程。     

气候变化对黄河径流以及源区生态和冻土环境的影响

本文综述了关于黄河源区和上游地区气候变化及其对黄河径流影响的研究及其他有关研究,并进一步讨论了气候变化对黄河源区和上游径流以及源区生态和环境的影响。研究表明:从20世纪90年代初起黄河源区和上游年径流量锐减,它严重影响了黄河中、下游年径流量,并引起黄河下游在20世纪90年代断流天数的增加;并且还指出,黄河上游和源区从20世纪90年代初到新世纪初降水的减少可能是导致黄河源区和上游径流锐减的主要原因,而黄河源区降水强度的减弱对于黄河源区径流在20世纪90年代的锐减也有一定影响;此外,本文还表明了从20世纪80～90年代到新世纪初黄河源区气温的明显上升并没有导致此区域蒸发量的太大变化,它对径流变化影响不大,但对此地区植被和冻土退化有重要影响。     

森林水文研究中的悖论及最新认识

森林水文研究历近百年，试验台站遍及全球，观测数据也相当丰富，但作为一个学科仍远未成熟，研究者在几乎所有大问题上都存在分歧。森林水文学在研究方法上有宏观和微观脱节，因果逻辑循环区域与总体不整合的问题，以致在流域蒸发上众说纷纭，森林与年径流及枯水的关系甚至在定性上也相到矛盾，导致了林业生态效益评价上的困难。     

水泥搅拌桩施工在软土地基处理中的应用

结合工程实例,介绍水泥搅拌桩在软土地基处理中的应用。广州亚运城市政工程项目,属珠江三角洲冲积平面地貌,场区内水网及水塘分布密集,主要为淤泥地质,为保证道路工程地基处理的施工质量,在水泥搅拌桩处理的技术要求等方面采取了有效的措施。     

北京地区表土磁性特征及其环境意义

发展便捷快速的污染检测技术是当今环境研究的需要. 能够有效地区分环境背景值与人为造成的污染是新的检测技术所必需的. 近年来, 磁学技术因其测量快速、简便的特点, 正在逐步应用于城市环境污染监测中. 城市或郊区的表土中磁性矿物来源复杂, 能否通过磁学测量识别自然和人类活动的来源是土壤磁监测技术成为环境污染监测有效手段的关键所在. 通过对北京城郊各区县地表0~10 cm的表土层环境磁学性质的测量, 初步获得了北京地区大尺度的表土磁性分布特征, 对各区县表土的磁学性质与土壤母质、人类活动、地形地貌的相互关系进行了探讨. 实验结果表明, 在北京西北部和西南部的山地地区, 表土的磁学性质主要受自然环境(地形地貌和母岩)的控制, 磁性较强, 大部分表土的磁化率(χ_lf)大于4×10–6 m3/kg, 为较粗颗粒的单畴(SD)或多畴(MD)亚铁磁性矿物; 在北京中部和东部的山间谷地以及平原地区, 表土的磁性较弱; 而在一些工厂和交通要道附近, 受到人类活动的影响, χ_ARM/SIRM和χ_ARM/χ_lf值明显增高, 为较细颗粒的单畴-假单畴(SD-PSD)亚铁磁性矿物. 在应用环境磁学参数对表土污染进行检测时, 尤其是区分强磁性的土壤母质发育的表土和严重污染的表土时, χ_ARM/SIRM和χ_ARM/χ_lf比χ_lf, χ_ARM和SIRM更为敏感.