南京工业大学Science，天津大学Nature

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导读

近日，南京工业大学王军教授课题组发表Science论 ，在沸石分子筛碳捕集领域取得的最新研究成果；天津大学焦魁教授团队在Nature刊发长 ，定义新一代燃料电池发动机设计。

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南京工业大学王军教授课题组Science：在沸石分子筛碳捕集领域取得的最新研究成果

（上）杂原子丝光沸石一维孔道筛分CO2, Ar, N2和CH4的示意图。（下）气体吸附分离性能：(A) 298 K时CO2体积吸收量；(B) CO2/N2:15/85和CO2/CH4:50/50二元混合物在1 bar和298 K下的CO2/N2和CO2/CH4分离选择性；(C-E) CO2/N2(CH4)穿透曲线；(F) 2-床VSA工艺的流程示意图和(G) ASPEN模拟结果。

全球CO2的排放量逐年增长，导致严重的能源、环境、气候等多方面的危机。碳捕获与利用(CCUS)是实现CO2分离回收和综合利用的有效途径，对于减缓上述危机，实现碳达峰和碳中和目标具有重大意义，而CO2的高效捕集是其中的关键环节，然而开发低成本、高效的碳捕集技术是一项巨大挑战。

针对这一难题，王军教授团队开发了杂原子沸石分子筛水热合成新路线，合成出结构独特的含铁杂原子丝光沸石分子筛单块材料，无需任何后处理即可直接作为自成型物理吸附剂，表现出迄今为止最高的CO2体积吸附容量和分离效率，对氩气（Ar），氮气（N2）以及甲烷（CH4）表现出良好的分子筛分能力，具有优异的抗水汽性能，实现了对燃烧后（CO2和N2分离）、沼气以及天然气纯化（CO2和CH4分离）等体系中CO2的高效吸附分离。审稿人评价，这一研究是碳捕集领域的重大突破，具有明显的实际应用潜力，开拓了杂原子沸石分子筛在气体吸附分离领域的新应用。

天大焦魁教授团队Nature刊发长 定义新一代燃料电池发动机设计

2021年7月14日晚间，天津大学焦魁教授带领的电化学热物理实验室研究团队在《自然》发表了篇幅达9页的展望 章，为新一代超高功率密度燃料电池发动机理论与设计指明了发展方向。

说明：超高功率密度燃料电池膜电极新型结构的发展路线

试想，在五分钟内就能给一种新型电动汽车充满氢燃料，不需要为了充电而等上几个小时，同时续航里程超过800公里，而这种汽车的排放却只有纯水，这听起来似乎不可思议。事实上，随着近年来燃料电池技术的快速发展，这种设想已经成为了可能。利用氢能的燃料电池发动机已经成为了交通领域中最有吸引力，也最有可能实现产业化、商业化的清洁能源动力装置。目前，包括丰田、上汽在内的国际上各大车企已经推出了量产燃料电池汽车车型，整个产业正处于快速上升阶段。

说明：超高功率密度燃料电池极板设计发展历程及趋势预测

作为氢能社会布局的重要一环，燃料电池装置开发最为核心的问题就是其性能的提升。目前，许多国家和地区的相关机构均对燃料电池提出了明确的发展规划，除我国政府支持的氢能相关项目外，美国、日本、欧盟都提出了氢能路线。依据上述计划，在未来十年左右，燃料电池电堆功率密度计划提升至6-9千瓦每升。目前，世界上较为先进的量产燃料电池车型（丰田MIRAI-2021）可实现电堆功率密度4.4千瓦每升，相较于五年前发布的上代车型提升约40%。值得一提的是，目前我国上汽捷氢、新源动力等企业自主开发的电堆功率密度也达到了世界先进水平。然而，这些国内外燃料电池发动机距离预期性能指标仍有较大差距。

天津大学焦魁教授团队此次展望在国际顶尖刊物上首次提出了新一代超高功率密度燃料电池目标，明确指出了各部件发展路线及其对性能提升的贡献比重。团队对新一代燃料电池发动机设计的展望基于天津大学燃料电池研究团队强大的模型预测体系与丰富的产学研转化经验。该展望针对燃料电池中涉及的多尺度电化学、热物理过程，结合能源材料领域最新成果，对质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等核心部件的发展路线进行了深入分析，并通过仿真计算给出了具体的技术指标。

从近二十年来的发展历程来看，新一代燃料电池设计将十分依赖于相关能源材料的开发与其内部过程的优化，然而燃料电池内多尺度复杂结构与物理化学过程为此带来了巨大挑战。该篇展望 章创新性地指出，双极板和膜电极对未来功率密度提升的贡献度分别约为30%和70%，各部件需要协同优化才能实现目标。“一体化”和“有序化”是未来设计的两个重要方向：一方面，双极板进一步减薄会极大增加流动阻力，给反应气体供给和冷却液循环带来困难，因此流场和电极的一体化设计是一种趋势；另一方面，电极设计的有序化能够更好地组织传递过程，并降低生产过程中的不确定性，也是未来的发展方向。