能源

非洲撒哈拉沙漠的大型風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電將增加降水和植被

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部李琰副教授與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，通過(guò)動(dòng)態(tài)植被的氣候模式進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在非洲撒哈拉沙漠建立大規(guī)模風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電將有助于增加區(qū)域降水和植被，有利于區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境。其中非洲撒哈拉沙漠的降雨量可增加一倍以上，在薩赫勒（Sahel）地區(qū)增加高達(dá)～500毫米/年，區(qū)域植被覆蓋度增加20%。研究成果發(fā)表于Science。論文指出，風(fēng)電和太陽(yáng)發(fā)電對(duì)區(qū)域氣候的影響是通過(guò)兩種不同機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施會(huì)改變地表特性，當(dāng)規(guī)模足夠大時(shí)，可能會(huì)對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生顯著影響。論文成果對(duì)于解決能源—水—食物系統(tǒng)的可持續(xù)性挑戰(zhàn)具有重要意義。

撒哈拉沙漠大規(guī)模風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)降水影響的模擬（圖片來(lái)源于北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部）

高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究

北京大學(xué)物理學(xué)院俞大鵬院士領(lǐng)導(dǎo)的“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團(tuán)隊(duì)中，趙清教授與合作者以傳統(tǒng)兩步法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)提出了鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)的兩步旋涂法，通過(guò)在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續(xù)鈣鈦礦生長(zhǎng)的成核位點(diǎn)，引導(dǎo)高質(zhì)量薄膜生長(zhǎng)，解決兩步法中無(wú)機(jī)陽(yáng)離子的有效摻雜問(wèn)題。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications。研究者通過(guò)籽晶誘導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)成核和晶粒大小的精確調(diào)控，有效摻入無(wú)機(jī)Cs離子，器件的能量轉(zhuǎn)化效率提升至21.7%。同時(shí)，器件在AM1.5G太陽(yáng)光下持續(xù)工作140小時(shí)后，仍然保持超過(guò)60%的初始效率，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)兩步法數(shù)小時(shí)的穩(wěn)定性。

三元有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌控制

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員朱曉張課題組科研人員利用前期發(fā)展的噻吩并噻吩類(lèi)光伏受體新材料NITI，合理選擇二元體系，構(gòu)筑了具有“分級(jí)結(jié)構(gòu)”的三元活性層形貌，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提升，闡釋了形貌對(duì)光電過(guò)程和器件參數(shù)的決定性影響，相關(guān)論文發(fā)表于Nature Energy。三元有機(jī)太陽(yáng)能電池保持單節(jié)電池結(jié)構(gòu)，在二元活性層中引入吸收互補(bǔ)的第三組分，增強(qiáng)光譜吸收。盡管三元電池取得了一定成功，但面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其核心問(wèn)題在于對(duì)三元共混薄膜難以實(shí)現(xiàn)清晰、有效的形貌控制，用以同時(shí)保證高效的激子解離和電荷傳輸。

層狀氮化物中電場(chǎng)誘導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)電性研究

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC10組陳根富研究員等在層狀氮化物MNCl（M： Hf， Zr）的電場(chǎng)調(diào)控研究中取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)誘導(dǎo)的永久超導(dǎo)電性，并對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了全面和深入的研究。研究論文發(fā)表于Chinese Physics Letters。近年來(lái)，利用離子液體作為電介質(zhì)進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控物性的研究引起了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的極大關(guān)注，其中電荷雙層三極管成為一種典型的電場(chǎng)調(diào)控工具。電場(chǎng)誘發(fā)的部分Cl離子空位會(huì)對(duì)體系產(chǎn)生電子摻雜，并最終形成不可逆的穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。這為在具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的低維化合物中探索和研究超導(dǎo)電性提供了新的實(shí)驗(yàn)思路和視野。

水溶液實(shí)現(xiàn)鐵電極化的“活字印刷”

北京師范大學(xué)張金星教授課題組與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京理工大學(xué)和賓州州立大學(xué)合作，探索了無(wú)鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學(xué)溶劑和生命之源）的界面物理和化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)不同鐵電極化表面可以有選擇性地誘導(dǎo)界面化學(xué)反應(yīng)和離子成鍵，幫助有效構(gòu)建固—液界面結(jié)構(gòu)。研究論文發(fā)表于Nature Communication。不同于傳統(tǒng)的控制方法如電場(chǎng)、機(jī)械力等，全水溶液原位可逆翻轉(zhuǎn)鐵電極化不需要消耗化石能源，實(shí)現(xiàn)了電極化翻轉(zhuǎn)的綠色調(diào)控。此工作以中國(guó)書(shū)法藝術(shù)《蘭亭序》中的“水“字為例，展示了對(duì)鐵電極化大面積、低成本的“活字印刷”技術(shù)。

鐵電極性表面選擇性離子成鍵，以及伴隨的鐵電材料體極化在微納尺度的“活字印刷”。（圖片來(lái)源于北京師范大學(xué)黨委宣傳部新聞中心）

我國(guó)實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電增長(zhǎng)與用水脫鉤

同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院張超副教授與學(xué)者合作，發(fā)現(xiàn)海河流域大部分地區(qū)火電水資源壓力指數(shù)明顯下降，而西北大型煤電基地所處匯水區(qū)的壓力指數(shù)則顯著上升，為此建議西北地區(qū)煤電基地開(kāi)發(fā)應(yīng)實(shí)行“取水總量控制”措施，研究論文發(fā)表于Nature Energy。我國(guó)擁有世界上規(guī)模最大的火力發(fā)電裝機(jī)，研究首次建立了我國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列高分辨率火力發(fā)電用水地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，揭示了2000至2015年間火電取水、耗水及其水資源壓力的時(shí)空格局演變過(guò)程，定量評(píng)估了多種影響因素對(duì)火力發(fā)電水資源利用效率提升的貢獻(xiàn)。該研究對(duì)我國(guó)制定合理的水資源管理政策和電力工業(yè)發(fā)展政策均具有借鑒意義。

原位探測(cè)鋰電池層狀材料制備過(guò)程結(jié)構(gòu)演化的研究

北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王峰教授課題組合作，揭示了高Ni層狀材料結(jié)構(gòu)無(wú)序的合成起源，為合成過(guò)程中降低甚至消除結(jié)構(gòu)無(wú)序提供了理論指導(dǎo)，有望顯著提升富鎳材料的實(shí)際容量及能量密度。研究論文發(fā)表于Journal of American Chemical Society。鋰離子電池（LIB）在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。富Ni層狀氧化物正極材料，由于能量密度高、成本低等特點(diǎn)，已成為最有應(yīng)用前景的下一代LIB正極材料之一。然而，隨著層狀材料中Ni含量的增加，產(chǎn)生了許多相關(guān)的問(wèn)題，如實(shí)際容量和理論容量相差大、熱穩(wěn)定性低、循環(huán)穩(wěn)定性差等。

共價(jià)有機(jī)框架材料太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電化學(xué)能研究

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所王要兵課題組和袁大強(qiáng)課題組報(bào)道了一種利用同時(shí)具有光吸收和可逆電化學(xué)能量存儲(chǔ)的雙功能材料，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能的新方法?？蒲谐晒l(fā)表于Angewandte Chemie International Edition。將太陽(yáng)能存儲(chǔ)在電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，是解決太陽(yáng)能間歇性供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的有效方法。該研究以同時(shí)具有可逆電化學(xué)反應(yīng)和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移協(xié)同作用的雙功能陰極材料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型的太陽(yáng)能—電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能的有效利用。為替代集成的太陽(yáng)能電池和電池系統(tǒng)提供了新的思路。