（转载）新能源点亮未来：中国一直在努力
不可忽视的能效短板
格拉斯哥气候变化大会（COP26）于11月13日落下帷幕，会议签署了《格拉斯哥气候公约》，格拉斯哥气候协议重申了《巴黎协定》气候目标，以防止全球灾难性气候事件发生频率大幅上升。协议还呼吁各国加快向低碳能源体系转型，加快可再生能源部署，并结束“效率低下的化石能源补贴”。印度等发展中国家提议将“逐步淘汰”煤炭改为将“逐步减少”。
同一天的大会上，中国宏观经济研究院能源研究所、丹麦能源署和哥伦比亚大学全球能源政策中心在丹麦馆共同研讨了欧洲、中国和美国实现气候目标与碳中和的途径。中国宏观经济研究院能源研究所所长王仲颖介绍了《中国能源转型展望2021》的主要研究成果，指出中国碳中和的情景模拟：一次性能源消费总量将于2040年左右达峰，能源效率不断提升；能源消费结构持续改善，可再生能源发展成为主体能源；化石能源消费将逐步达峰，非化石能源将逐步从能源增量主体进入存量化石能源替代，最终成为主力能源；终端电气化水平大幅提高，2060年将达到54%-74%，终端能源部门消费在2030年达到峰值，风电和光伏将成为绝对主力能源，不同时空特性的灵活性资源保障电力系统安全、可靠运行。
（原文网址：
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/12/470025.shtm）
从能效的角度看，11月17日，国际能源署（IEA）发布的《能源效率2021》 告显示，2021年能源效率重新取得进展，但要实现2050年净零排放的目标，能源效率需要翻一番。在经历了十年来最糟糕的一年后，能源效率趋势预计将恢复到十年平均水平。然而，能源效率的提高速度需要在当前水平的基础上提高一倍，从而与国际能源署的2050年净零排放情景中的能效提高相匹配。作为衡量经济能源效率的一个关键指标，预计今年全球能源强度将增加1.9%，而2020年这一数字仅增加了0.5%。
中国“以实则治”，中国气候变化事务特使解振华在新闻发布会上公布的数据便是佐证，2020年中国碳排放强度比2005年下降48.4%，超额完成了中国向国际社会承诺的到2020年下降40%至45%的目标，累计少排放二氧化碳约58亿吨。在经济社会发展的过程中，我国逐步地走上了一条经济增长、气候行动和环境改善的脱碳路径。但是我们的能效水平还比较低，距离先进水平还差1.7倍，还有很大的潜力去做好。因此，我国需要补上能效短板。
“人造太阳”，中国核聚变继续突破
核裂变，是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核，并释放出巨大能量。太阳等恒星之所以发光发热，正是因为其内部持续不断地进行着轻核间的核聚变反应。人类在上世纪50年代初成功试爆了第一颗氢弹，但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应，不能作为提供能源的手段。自那以后，人类便致力于受控核聚变研究。
国际磁约束受控核聚变研究始于上世纪50年代，经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究、技术解密，再到世界范围内开放合作、共同参与的研究阶段。在研究进程中，也先后探索了箍缩、磁镜、仿星器、托卡马克等众多途径，目标都围绕如何提高等离子体的关键参数，最终满足受控核聚变反应的条件。从上世纪70年代开始，托卡马克途径逐渐显示出独特优势，成为磁约束核聚变研究的主流途径。国际磁约束聚变界通过几十年努力，在核聚变研究领域取得了重大进展，装置的“聚变三乘积”提升了几个数量级，但要实现受控核聚变，关键技术上仍存在很大挑战，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年，国际热核聚变实验堆（ITER）计划提出，其目的就是希望通过国际合作，建造一座核聚变反应堆，以验证核聚变能和平利用的科学可行性和工程技术可行性。
2006年11月，中国、欧盟等七方签署启动国际热核聚变实验堆计划协定。目前，该计划是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学技术成果，解决大量技术难题。首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，是实现“人造太阳”能源梦想的关键一步，因此备受各国政府与科技界重视和支持。
（原文网址：
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/465064.shtm）
而我国的受控核聚变研究几乎与国际同步。1956年，正值我国制定“十二年科技规划”之际，钱三强、李正武等科学家倡议在我国开展“可控热核反应”研究，以探索核聚变能的和平利用。1965年，我国成立聚变能开发专业研究基地，并于1984年建成我国核聚变领域第一座大科学装置——中国环流器一号托卡马克装置。它是我国核聚变研究史上的一个重要里程碑，其成功建造与运行，为我国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置积累了丰富经验，培养了人才队伍。
自2008年我国科学技术部成立国际热核聚变实验堆核聚变中心以来，我国陆续承担了18个采购包的制造任务，共有上百家科研院所、企业直接参与。在核聚变中心的领导和组织协调下，核工业西南物理研究院及中科院等离子体物理研究所等单位，充分发挥在聚变实验研究装置和聚变堆关键技术研发方面的优势，联合国内相关院校及企业展开了技术攻关。
我国承担的国际热核聚变实验堆采购包任务进展顺利，取得了一系列技术突破：我国研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试，在世界上率先通过认证，同时也带动了我国其他相关领域技术发展。2019年9月，中核集团牵头的中法联合体与国际热核聚变实验堆组织签订了ITER主机安装一号合同，这是有史以来中国企业在欧洲市场中竞标的最大核能工程项目合同。该合同的签订标志着我国核聚变技术与人才积累、核电建设能力获得国际认可。
当前，相关国家正集中力量完成该计划采购包等任务并保障资源，确保国际热核聚变实验堆的成功建设与运行。一方面利用现有不同规模的磁约束聚变研究装置，开展聚变等离子体物理与相关技术研究，尤其是与ITER计划相关的先行物理实验及有关技术研发。2020年，我国新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置在四川成都建成，它是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，将为我国深度参与国际热核聚变实验堆计划及未来自主设计、建造聚变堆提供重要技术支撑。
另一方面，积极谋划并开展未来聚变堆关键技术的研发。当前聚变能研发已逐步进入聚变堆核工程可行性阶段。在参加国际热核聚变实验堆计划同时，我国聚变研究应以未来建堆所涉及的前沿科学技术为攻关方向，开展聚变堆总体设计、聚变堆芯关键技术等研发，发展聚变能开发核心技术，加强国内与ITER计划相关的聚变能技术研究和创新。培养一支稳定的高水平核聚变能研发队伍，培育和带动一批企业全面参与聚变堆关键技术攻关与部件设计制造，建设和完善国家聚变能研发体系，建立国际一流研究平台。
氢能源开发新思路
近日，哈尔滨工业大学校材料科学与工程学院周玉院士团队李保强教授课题组与浙江农林大学孙庆丰教授、李彩彩副教授等人首次发现了将富含空位的碳点（CDs）与钌（Ru）结合构建钌/富空位碳点电催化剂（Ru@CDs），并揭示了强电子结合提高电催化析氢活性机制。该材料有效地拓宽碳点的应用范围，为面向氢气新能源的新型高效析氢电催化剂设计提供新思路。相关研究成果9月12日发表在材料领域重要学术期刊《小》（《Small》）杂志上。
据李保强介绍，当今世界开发新能源迫在眉睫，新能源氢能是目前公认的清洁能源。而作为二次能源，氢气的制备依赖于高性能的电催化剂。钌（Ru）由于其金属-氢键强度与铂相似且成本低廉（价格仅为铂的5%），被认为是铂（Pt）基电催化剂的理想替代品，但Ru的电催化活性仍有待提高。此外，Ru自身较高的内聚能易造成团聚，从而导致其电催化活性下降。具有调节纳米材料的物理化学和电子特性的空位工程为改善电催化剂的催化活性提供了解决方案。
（原文网址：
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/465743.shtm）
针对这些问题，该团队通过空位工程的策略，利用富含空位的碳点构建了高性能的钌/富空位碳点析氢催化剂。该材料在Ru复合结构中巧妙地引入空位，有效地降低了Ru纳米颗粒的不稳定性和团聚性，同时能够显著提高其电催化活性。实验结果表明，Ru@CDs表现出优异的催化性能。此外，该研究通过理论计算揭示了空位的存在以及Ru与CDs之间的电子相互作用协同降低了析氢反应的中间能垒，因此使Ru@CDs电催化剂活性最大化。而Ru@CDs催化剂与商业Pt/C催化剂以及最近 道的Ru基电催化剂相媲美甚至更优越。该研究不仅成功构筑了高性能的碳点基析氢电催化剂，还揭示了Ru纳米颗粒与CDs之间的相互作用以及与空位协同提高催化性能的机理，为开发和设计新型碳点基催化剂提供了新思路。同时为清洁新能源氢能的生产提供了助力。
分布式供能获得发展
近年来，分布式供能与可再生能源实验室组织承担了国家分布式能源“973”项目，在能的综合梯级利用理论、微小型动力、余热利用和系统集成方法及验证方面取得诸多成果，验收成绩在能源领域同期项目中名列前茅。而可再生能源凭借取之不尽和清洁环保等优势，正在成为世界能源舞台上的主角，并将逐渐取代化石燃料。
专家表示，将太阳能与成熟的常规发电技术整合，进行多能源互补发电，不仅可降低开发利用太阳能的技术和经济风险，有效解决太阳能利用不稳定和蓄热技术不成熟等技术瓶颈问题，还能实现高效、低成本地利用太阳能。
对于薄膜的制备技术目前主要有液体旋涂和真空镀膜两类。以制备钙钛矿太阳能电池的常用材料MA和Pb为例，MAI蒸发温度约为150℃，而金属卤化物PbI需要400℃~500℃。这与常规的金属热蒸发相比温度低很多，但对热蒸发源温度控制的精准性要求较高。传统金属热蒸发更注重所能达到的高温（可达~1800℃），如果采用传统的蒸发源生长钙钛矿材料很容易导致温度过冲，制备的薄膜性能不稳定，甚至前驱体会瞬间挥发殆尽导致生长失败。
钙钛矿光伏材料除了在较低温度下生长之外，沉积速率也是一个重要的控制变量。由于沉积速率并非温度的直接函数，钙钛矿材料在沉积时需要对每一个蒸发源的速率进行标定与检测。通常在热蒸发过程中，可以采用晶振探头来探测每一个蒸发源的蒸发速率。对于常规的金属热蒸发过程，材料从蒸发源沿着直线方向到达衬底，按照类似于标准分布函数的规律在衬底上沉积成薄膜。然而对于非常易挥发的材料，例如MAI，蒸发过程中会首先在源上方形成较高的蒸气压，这会导致材料向侧方扩散，导致材料在腔体的其他部位形成非必要的沉积。因此，对于钙钛矿光伏材料的沉积过程必须控制得更加精密，否则MAI容易导致其他材料的晶振传感器被污染。
手套箱集成系统
虽然成品PSCs元件可以在大气条件下使用，但通常有必要在惰性气氛下进行器件封装制造。因为在最后的保护涂层覆盖之前，湿气和氧气会对材料性能造成影响。因此，一些PSC制备工作通常在惰性气体(如纯氩气或氮气)的手套箱中进行。针对这一问题，经过多年探索，伊特克斯提供的真空镀膜系统，由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。真空镀膜手套箱是一款整装可直接使用的标准型真空手设备，由主作业仓、主过渡舱、工具过渡舱、抽真空系统以及各个零部件组合而成，具有高密闭性、保压时间长、操作简单等特点，可满意院校科研和小批量生产的应用。
钙钛矿太阳能电池叠层实验
在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作，以保证实验的有效性；方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套进口英福康膜厚仪，普发分子泵，北仪机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；
整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。
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