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.     

空心纳米线热导率和比热:理论模型构建与尺度效应分析

具有独特一维空心结构的金属纳米线,由于其优异的轴向热导率和电导率以及轻质、高强度等特点,在高性能热界面材料和热电材料制备等领域展现了潜在应用价值.然而目前空心纳米线热导率和比热理论模型欠缺,本文在综合考虑了热输运电子和声子的平均自由程,群速度和比热尺度效应的前提下,建立了空心纳米线的热导率和比热模型.基于此模型,深入探讨了空心铜纳米线热导率与长度和壁厚的依赖关系,以及其电子热导率和声子热导率与壁厚的关联关系.最后分析了空心铜纳米线热导率产生尺度效应的原因,并从载流子热输运性质层面进行了解释.研究结果表明,本文提出的理论模型可精确预测一维空心纳米线的热导率,相关系数大于90%;空心铜纳米线和实心铜纳米线的热导率随长度和壁厚的变化均表现出显著的尺度效应,且实心铜纳米线的热导率大于空心铜纳米线;实心铜纳米线的电子热导率大于空心铜纳米线,而二者的声子热导率近似相等;空心铜纳米线的声子体积热容表现出显著的尺度效应,其值最大可达到体材料的1.6倍、同尺寸实心铜纳米线的1.2倍.本文的研究进一步加深了对空心纳米线比热和热导率的理论理解,有助于推进其实际应用.     

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.     

膜状冷凝初期过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,对氩蒸气在铂金属表面发生的膜状冷凝过程进行了研究.为保证冷凝过程在相对较长时间范围内持续稳定进行,提出了一种改进的气态分子补充方法.通过逐时对系统内局部温度及密度进行统计,获得了不同时刻的参数分布.结果显示:在模拟时间范围内,液膜厚度近似线性增加,壁面附近液相分子受固壁势能作用而呈现出密度振荡的"液体层状化"分布;液膜内产生温度梯度,固液界面处温度跳跃现象明显.考察了气体温度以及壁面润湿性变化产生的影响,结果表明:随着气体温度的升高,温度梯度以及温度跳跃均增大;液相密度略有下降,液体内层状区域的密度振荡范围略有减小,气液界面厚度增加;质量流率以及液膜厚度增长速率也都增大,反映出更大的气固温差加快了冷凝过程的进行,这一点与宏观规律一致.随着润湿性增强,液膜厚度增长加快,液体层状区内的密度振荡范围增加,液膜内温度梯度增大,温度跳跃大幅减小,冷凝过程得到显著强化.显然,近壁面区内的热传导对整个冷凝过程进行的速度具有重要影响.     

纳米尺度并列双圆柱绕流的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法，对纳米尺度下的等大并列双圆柱绕流问题进行了数值研究．模拟结果表明：在低雷诺数（Re=22）、纳米尺度下，同样存在由于L^＊／D^＊（L^＊为两圆柱轴线之间的距离，D^＊为圆柱的直径）值的变化，导致流场内呈现出单涡脱落、双稳态以及双涡对称同步脱落的不同流动状态，这与宏观尺度下的研究结论相一致．然而，各种流动状态所对应的L^＊／D^＊范围却与宏观尺度下的数值和实验研究结果不一致．单涡脱落区域为L^＊／D^＊〈1．1，双稳态现象出现的区域为1．1％L^＊／D^＊〈1．8，且由于间隙流的影响，当L^＊／D^＊一1．2时，就已出现了典型的双稳态现象，双涡对称同步脱落区域为L^＊／D^＊〉1．8．微观尺度下的3种不同特性的流动状态均比宏观研究结果提前，表明流动状态的变化具有明显的尺度特征．     

温度对Lennard-Jones流体凝结过程影响的研究

采用平衡态分子动力学模拟方法，对由氩分子构成的气液界面系统进行了较大温度跨度条件下的模拟和研究．通过统计的方法得到了温度变化对系统的密度、气液界面厚度、气态分子碰撞流率、Lennard-Jones（L-J）势能以及L-J势能力分布的影响规律．结果表明：随着温度的升高，气液界面厚度和气态分子碰撞流率增加，密度和L-J势能分布趋于均匀化，L-J势能力分布随着势阱深度的减小而趋于0；所有物理量在接近临界温度时变化加快．模拟得到不同温度条件下的凝结系数与文献相互吻合．同时，对于凝结系数随温度的升高而减小，并在温度接近临界温度时由于气液界面的消失而失去意义这一规律，通过气液界面厚度与气态分子碰撞流率随温度的增加所产生的综合效果进行了合理的解释．     

不同水分子模型凝结系数的分子动力学模拟对比研究

采用平衡分子动力学（EMD）方法模拟研究了水的凝结过程，用“特征时间法”统计得到4个不同温度下5种不同水分子模型（SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P）的凝结系数．模拟结果表明，不同模型得到的凝结系数都随温度的升高而减小．在相同温度下，凝结系数的统计结果表明：当温度高于400K时，凝结系数按SPCE、TIP4P、TIP3P、SPC、TIP5P模型呈递减趋势，并且TIP4P和TIP3P模型的凝结系数相近；当温度低于400K时，5种模型凝结系数的统计结果相差不大．发现TIP5P模型在温度约高于520K时得不到明显的汽液两相区，无法统计高温下水的凝结系数．     

二氧化碳还原技术助力构筑碳中和循环社会

<正>温室效应与能源危机是21世纪人类社会面临的两大根本难题^[1].随着全球人口的持续增长以及经济高速发展,煤、石油、天然气等不可再生的化石能源燃烧产生大量CO₂,加剧了温室效应,导致全球变暖与极端天气等问题频发. 2023年发布的《世界能源统计年鉴》数据显示, 2022年全球对一次能源的需求相较2021年同比增长1.1%,因能源消耗产生的CO₂排放量超过393亿吨,达到历史新高点.