上個月底，中國科協年會發布了2019年20個對科學發展具有導向作用、對技術和產業創新具有關鍵作用的前沿科學問題和工程技術難題。專家表示，這些都是科技領域的“硬骨頭”，解決了這些科學問題和技術難題，不僅能改變人類的生活，同時對未來人類社會的發展和進步也會起到支撐和指導作用。
這20個前沿科學問題和工程技術難題分別是：
1. 暗物質探測
2. 對激光核聚變新途徑的探索
3. 單原子催化劑的催化反應機理
4. 高能量密度動力電池材料電化學
5. 情緒意識的產生根源
6. 細胞器之間的相互作用
7. 單細胞多組學技術
8. 廢棄物資源生態安全利用技術集成
9. 全智能化植物工廠關鍵技術難題
10. 近地小天體調查及防御與開發問題
11. 大地震機制及其物理預測方法
12. 原創藥物靶標發現的新途徑與新方法
13. 中醫藥臨床療效評價創新方法與技術
14. 人工智能系統的智能生成機理
15. 氫燃料電池動力系統
16. 可再生合成燃料
17. 綠色超聲速民機設計技術
18. 重復使用航天運輸系統設計與評估技術
19. 千米級深豎井全斷面掘進技術
20. 海洋天然氣水合物和油氣一體化勘探開發機理和關鍵工程技術
Cell Press旗下三本期刊編輯特別甄選了與這20個前沿科學問題和工程技術難題有關的論文，幫助您了解這些領域的科研進展以及科學突破。
本期由Joule期刊編輯朱昌榮博士為大家精選發表在Cell Press旗下期刊上的相關內容，長按識別二維碼閱讀論文。
朱昌榮 博士
Joule 期刊編輯
朱昌榮博士目前負責Cell Press細胞出版社旗下的能源類期刊Joule。她博士畢業于新加坡南洋理工大學，2015年赴加州大學擔任訪問學者，之后相繼在南洋理工和新加坡國立大學從事博士后研究工作。她的研究方向涉及電催化、電池、超級電容和新材料等能源領域。
單原子催化劑的催化反應機理
單原子催化劑：合成策略和電化學應用
論文原標題：Single-Atom Catalysts: Synthetic Strategies and Electrochemical Application
發表期刊：Joule
發展可持續、清潔的電化學能源轉化技術是應對能源短缺和環境污染等挑戰的重要措施。將單原子的概念應用于電催化劑制備是一種提高催化劑的性能同時降低催化劑成本的有效方法。本文系統討論和總結了濕化學方法制備單原子催化劑的最新進展，著重討論了合成單原子催化劑的核心問題：如何實現單核金屬前驅體的原子級分散以及如何防止形成的單原子的遷移團聚。文章進一步介紹了單原子催化劑在氧還原反應（ORR）、析氫反應（HER）和二氧化碳電還原反應（CO2RR）中的應用，著重討論單原子催化劑結構與電催化性能的構效關系。最后結合目前的研究現狀和挑戰，對單原子催化劑的研究前景進行了展望。
高能量密度動力電池材料電化學
固態鈉電池的電解質和界面工程
論文原標題：Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries
發表期刊：Joule
隨著化石燃料的快速消耗，發展大規模的高效清潔儲能技術受到各國科研工作者的關注。本篇綜述系統地總結了鈉離子固態電解質的發展和最新進展以及固態鈉電池內部的界面問題。在所有報道的高性能固態電解質（SSE）中，只有β-氧化鋁已經在具有熔融電極的高溫Na-S和ZEBRA電池中成功商業化。然而，由于電解質和活性材料之間的界面接觸較差，將β-氧化鋁應用于室溫鈉電池仍存在較大的挑戰。對于有機SSE來說，離子電導率低，熱穩定性差和機械強度弱這些缺點也阻礙了它們的實際應用。本文作者指出，為了實現固態鈉電池在室溫下的實際應用，進一步的研究應集中于以下幾個方面：首先，基于基本設計原理和理論計算，設計具有高性能（例如高離子電導率和良好化學/電化學穩定性）的SSE。其次，通過實驗研究優化SSE和界面的綜合性能（如離子電導率和穩定性）。第三，采用更先進的原位技術來表征固態鈉電池中的SSE和界面。
人工智能系統的智能生成機理
通過自動化、機器學習及高性能計算加快材料開發
論文原標題：Accelerating Materials Development via Automation, Machine Learning, and High-Performance Computing
發表期刊：Joule
本文系統地闡述了人工成本-時間成本-計算開發等方面的相互制約及解決方案，詳述了加快材料開發周期所必須進行的關鍵步驟——計算輔助。作為科學進程中不可或缺的一部分，高性能計算、自動化和機器學習等新興技術的結合有望加快材料發現的步伐，更好地協調市場和利益相關者（投資者和研究人員）之間的關系，縮短回本周期，提高投資回報。首先，工具自動化可以對候選材料進行快速實驗檢測。其次，高性能計算可通過預測和推斷體積、界面和缺陷的相關屬性，將實驗帶寬集中在有前景的化合物上。第三，采用機器學習連接前兩者，將實驗產出應用于理論的自動完善并改進下一個實驗。本文作者認為，本研究是材料領域的先驅，并且在未來十年，這種工具組合將改變人們進行材料研究的方式。
量子計算在能源存儲領域的展望和挑戰
論文原標題：The Promise and Challenges of Quantum Computing for Energy Storage
發表期刊：Joule
電池的性能和成本與其使用的材料密切相關。考慮到設計的約束條件，人們對使用基于薛定諤方程計算建模來預測和設計更好的儲能材料產生了相當大的興趣。在解決薛定諤方程的許多方法中，密度泛函理論（DFT）是最常見的。盡管DFT方法在計算和預測反映鋰離子電池性能的幾種指標方面取得了一定成果，但是在電池技術中幾個重要研究領域中，DFT并不適用。本文作者提出，通過利用量子計算方法可以解決超出DFT能力的問題。
量子計算機可以解決一些在傳統計算機上無法解決的化學和材料問題，并且得到的解決方案基本準確，并且可能會否定當前方法（如DFT）所需的領域知識。量子計算的應用很可能改變許多材料的設計方法。
然而，量子計算面臨的挑戰同樣巨大。目前的系統在糾纏量子比特和保真度方面水平有限，限制了在設備上執行的量子操作的數量。量子計算雖然還處于初期階段，但它在儲能方面的潛在應用值得深入調查和研究。
氫燃料電池動力系統
液態太陽能燃料的生產及其在燃料電池中的應用
論文原標題：Production of Liquid Solar Fuels and Their Use in Fuel Cells
發表期刊：Joule
本綜述重點介紹了利用太陽能生產液體燃料及其在直接液體燃料電池中的應用。被用于制造太陽能液體燃料及儲氫材料的甲酸是本文討論的主要對象。另外，本文作者還討論了甲酸在直接甲酸鹽燃料電池中的用途。其他可減少二氧化碳排放的產物，如甲醇和甲醛等，也能用作太陽能液體燃料及儲氫材料，為此，本文作者討論了相應的燃料電池的性能。另外，綜述還涉及氨和肼等固氮分子的生產以及相應的燃料電池。最后，文章作者討論了利用太陽能將純水、海水和空氣中的分子氧合成過氧化氫的可能途徑，并與最近開發的單室過氧化氫燃料電池相結合。
可再生合成燃料
液態陽光讓未來充滿能量
論文原標題：Powering the Future with Liquid Sunshine
發表期刊：Joule
“液態陽光”源于豐富的陽光、二氧化碳和水，屬于可再生綠色液態燃料。在化石燃料枯竭的未來，液態陽光可能是解決能源問題的關鍵。在此，施春風、白春禮、張濤、李靜海四院士聯合評估了使用醇作為能量載體來實現全球3E目標和解決相關挑戰的重要性，旨在為制造業和政策制定者提供更全面的視角，了解從化石到綠色醇燃料的逐步過渡所帶來的成本和收益，并為通向陽光的未來提供可行的途徑。
海洋天然氣水合物和油氣一體化勘探
開發機理和關鍵工程技術
為煤基化工業建立混合能源體系
論文原標題：Hybrid Energy System for a Coal-Based Chemical Industry
發表期刊：Joule
盡管有利于減少碳排放的可再生能源已經成為替代化石燃料發電最有前景的方案，但化石燃料仍然是為人類生活生產提供“碳”產品所必需的。煤氣化為化學品的過程排放了大量的二氧化碳。很明顯，清潔的氫氣供應是煤化工行業減少二氧化碳排放的關鍵。此前有科學家提出了一種混合能源體系，能夠將來自核能或可再生能源的可再生氫與煤結合，從而制造燃料和化學品。本綜述系統地分析了混合能源體系的建立，探討了該體系在煤炭資源豐富的國家，特別是中國和美國的適用性，繼而討論其碳減排潛力和經濟可行性。本文作者指出，混合能源體系適用于大多數煤炭密集型國家，并將在未來5到15年內帶來顯著的碳減排潛力。此外，隨著可再生能源、核能的電力成本降低，混合動力系統顯示出了巨大的潛在經濟競爭力。
海水取鋰
論文原標題：Lithium Metal Extraction from Seawater
發表期刊：Joule
鋰是現代社會最重要的礦物資源之一，被廣泛應用于各種工業生產中。以目前技術，鋰的提取率相對較慢，需要經過多步處理才能獲得金屬鋰或固體鋰化合物，無法滿足對金屬鋰的大量需求。此外，目前大多數鋰提取技術還需要外部能源。本研究提出了一種以太陽能為驅動，基于組合電解液（hybrid electrolyte）策略和離子選擇性固體薄膜的恒流電解技術，成功實現從海水中提取金屬鋰單質，并且同時實現了鋰資源的回收和太陽能的轉換/儲存。該技術的問世為海洋鋰資源開發和太陽能向化學能的轉化存儲開辟了全新的道路。
關于Joule
Joule是Cell Press細胞出版社旗下能源類旗艦刊物，傳遞能源領域最前沿信息，是一本前瞻性科學期刊，不斷激發新的科研靈感惠及當下及未來。
