卷 2 期 2 (2024)

一切人类活动都不过是能量的转换和流动，这其中对地球环境产生不可逆影响的能量流转过程是人们格外关注的。这些引人关注的能量流转过程，较少的情形是单纯物理过程，更多的情形则包含复杂化学过程，涉及光、电、热、力等多种相互作用的机制，且不可避免的分布于几乎所有人类活动里。因此，这些过程中面向能量效率最优化的改进策略，必然是多物理、跨学科合作的智慧结晶，它将最终显著影响人类节能减排的目标实现的可能性和日程表。本期的论文作者们，以创造性的思考、严谨的论证、丰富的数据，从广泛的视角极好的诠释了清洁能源科技多物理、跨学科的协同需求。

化石能源的使用是全球变暖（global warming，GW）的重要原因，占全球温室气体排放量的75%以上，约占所有二氧化碳排放量的90%。依靠可再生能源（renewable energy，RE）替代化石能源来减轻能源部门的碳排放至关重要。到2050年，可再生能源有可能消除发电行业中90%的碳排放，大大减少碳排放有助于减轻GW的影响。通过强调零排放的概念，可再生能源的未来变得充满希望，有可能取代化石燃料，到2050年将全球气温上升限制在1.5 ℃以内。本文探讨了可再生能源技术及其在多个领域的应用对减轻GW的作用，研究了支持可再生能源政策的趋势和成功案例，并探索了减轻气候变化影响和实现清洁能源未来的可用选项。此外，可再生能源为化石燃料提供了一种清洁和可持续的替代品，减少了对化石燃料的依赖并最大限度地减少了温室气体排放。本文还重点介绍了中国、美国、印度、德国等主要国家在开发和利用可再生能源方面所做的努力。这些国家的可再生能源战略反映了它们为当代和子孙后代的福祉而应对全球变暖和减少有害排放的承诺。

一氧化碳（CO）是公认的二氧化碳（CO₂）电解还原为C₂₊产品的关键中间体之一，这也是近期的研究热点。开发一种能实现C-C偶联的高效催化剂对于生产C₂₊产物非常重要。在本研究中，我们提出了一种简易的方法，即通过静电组装耦合硅阳离子和铜盐，并结合水热法构建碳硅包铜非晶杂化材料，即CuO@C-SiO₂-X（X表示催化剂制备温度），作为CO主要还原为液态C₂₊产物的高效电催化剂。CuO@C-SiO₂-X催化剂表现出优异的电催化活性和选择性，尤其是对C₂₊液体产物的选择性，其法拉第效率（FE）最高达81.5%。此外，催化剂还具有良好的稳定性。碳的存在增强了电子传导性，SiO₂可以阻止无定形的CuO聚集成晶体结构。本研究不仅为CO电催化还原为液态C₂₊化学品提供了一种高效催化剂，还为在CO还原过程中构建对C₂₊产物具有高选择性的铜基催化剂提供了一种方案。

杂多酸可以将水保留在质子交换膜中，从而提高其在高温和低湿度条件下的质子电导率；然而，它们在水中的高溶解度会导致浸出，从而限制了它们的进一步应用。在此，我们利用磷钨酸（HPW）和聚多巴胺（PDA）颗粒，通过水热反应制备了不溶于水的PDA/HPW混合物（PDW）。PDW中PDA的氨基与HPW化学键合，成为HPW的锚。含有15wt% PDW的磺化聚醚醚酮（SPEEK）复合膜（SPEEK/PDW-15）在液态水中的质子电导率在25 ℃时为0.052 S cm^–1。比SPEEK对照膜（0.032 S cm^–1）高出63%。在浸入水中80天的测试中，SPEEK/PDW-15复合膜也显示出稳定的质子电导率。

挤出设备的工艺效率和能耗问题成为制约聚合物挤出行业发展的关键挑战。本文提出了一种全新的聚合物场协同原理，用以指导解决传统挤出设备混合效率和能源利用效率低的问题。文章对Maddock结构、主副螺纹结构、销钉结构、波状结构四种新型非常规螺杆结构进行了有限元分析，并与传统的单螺杆进行了比较。结果表明，新型非常规螺杆流道中产生了更复杂的熔体流动模式，增强了拉伸变形或螺旋流动。在熔体挤出过程中，不同程度的拉伸或螺旋流动提高了混合和热传输效率。其中Maddock元件诱导的螺旋流对流场中的拉伸塑性变形影响最大，同时螺旋流引起了流道内熔体的径向运动，极大地促进了速度场、速度梯度场和温度梯度场之间的协同作用。拉伸或螺旋流动提高了螺杆流道内的径向热量和质量传输效率，从而提高了设备的整体工艺效率。有限元分析的结果证实了聚合物场协同原理的科学性。

工质筛选是研究有机朗肯循环发电系统的关键内容之一。由于工质的种类多、组分结构复杂，增大了工质筛选难度。本文从工质热力学物性角度入手，开展工质筛选策略研究，提出以对比理想气体热容判定因子为依据，定量判断工质的干湿特性。当判断因子>1时为干工质，当判断因子<1时为湿工质，23种工质的计算数据和文献数据的对比结果表明，该判断因子的计算结果具有可靠性。提炼出“三步法”初步筛选策略用于有机朗肯循环的工质筛选，该策略包含工质基础物性分析、干湿特性的研究、量子化学分析，该筛选策略从微观和宏观角度解释了有机朗肯循环系统工质筛选的机理，为有机朗肯循环工质的构效关系研究奠定基础。

由于丙烯（C₃H₆）和丙烷（C₃H₈）具有相似的物理化学性质，因此丙烯和丙烷的分离成本非常高，被列为改变世界的七大化学分离之一。高纯度C₃H₆是生产聚丙烯和丙烯腈的重要原料。然而，C₃H₈是C₃H₆生产过程中产生的副产品，其结构和沸点与C₃H₆相似。传统的蒸馏法分离C₃H₆和C₃H₈能耗高，分离效果不明显。因此，迫切需要开发更节能、更高效的C₃H₆和C₃H₈分离方法。

纸浆和造纸业是能源最密集的行业之一。该行业实现净零排放对于减缓全球变暖和减少环境污染至关重要。《自然》杂志发表的题为“各国纸浆和造纸业的净零战略”的文章探讨了这一问题。通过深入分析30个主要国家纸浆和造纸工业的历史排放数据，提出了一系列针对具体国家的净零排放战略。本评论回顾了该文章的主要内容和观点，讨论了其方法的严谨性和适用性，并进一步考虑了经济权衡、资源禀赋和技术进步对各国纸浆造纸行业净零排放战略的潜在影响。