20个科学“硬骨头”，Cell Press为你解读丨Joule
上个月底，中国科协年会发布了2019年20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿科学问题和工程技术难题。专家表示，这些都是科技领域的“硬骨头”，解决了这些科学问题和技术难题，不仅能改变人类的生活，同时对未来人类社会的发展和进步也会起到支撑和指导作用。
这20个前沿科学问题和工程技术难题分别是：
暗物质探测
对激光核聚变新途径的探索
单原子催化剂的催化反应机理
高能量密度动力电池材料电化学
情绪意识的产生根源
细胞器之间的相互作用
单细胞多组学技术
废弃物资源生态安全利用技术集成
全智能化植物工厂关键技术难题
近地小天体调查及防御与开发问题
大地震机制及其物理预测方法
原创药物靶标发现的新途径与新方法
中医药临床疗效评价创新方法与技术
人工智能系统的智能生成机理
氢燃料电池动力系统
可再生合成燃料
绿色超声速民机设计技术
重复使用航天运输系统设计与评估技术
千米级深竖井全断面掘进技术
海洋天然气水合物和油气一体化勘探开发机理和关键工程技术
Cell Press旗下三本期刊编辑特别甄选了与这20个前沿科学问题和工程技术难题有关的论文，帮助您了解这些领域的科研进展以及科学突破。
本期由Joule期刊编辑朱昌荣博士为大家精选发表在Cell Press旗下期刊上的相关内容，长按识别二维码阅读论文。
朱昌荣 博士
Joule 期刊编辑
朱昌荣博士目前负责Cell Press细胞出版社旗下的能源类期刊Joule。她博士毕业于新加坡南洋理工大学，2015年赴加州大学担任访问学者，之后相继在南洋理工和新加坡国立大学从事博士后研究工作。她的研究方向涉及电催化、电池、超级电容和新材料等能源领域。
单原子催化剂的催化反应机理
单原子催化剂：合成策略和电化学应用
论文原标题：Single-Atom Catalysts: Synthetic Strategies and Electrochemical Application
发表期刊：Joule
发展可持续、清洁的电化学能源转化技术是应对能源短缺和环境污染等挑战的重要措施。将单原子的概念应用于电催化剂制备是一种提高催化剂的性能同时降低催化剂成本的有效方法。本文系统讨论和总结了湿化学方法制备单原子催化剂的最新进展，着重讨论了合成单原子催化剂的核心问题：如何实现单核金属前驱体的原子级分散以及如何防止形成的单原子的迁移团聚。文章进一步介绍了单原子催化剂在氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）和二氧化碳电还原反应（CO2RR）中的应用，着重讨论单原子催化剂结构与电催化性能的构效关系。最后结合目前的研究现状和挑战，对单原子催化剂的研究前景进行了展望。
（参考研之成理报道）
高能量密度动力电池材料电化学
固态钠电池的电解质和界面工程
论文原标题：Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries
发表期刊：Joule
随着化石燃料的快速消耗，发展大规模的高效清洁储能技术受到各国科研工作者的关注。本篇综述系统地总结了钠离子固态电解质的发展和最新进展以及固态钠电池内部的界面问题。在所有报道的高性能固态电解质（SSE）中，只有β-氧化铝已经在具有熔融电极的高温Na-S和ZEBRA电池中成功商业化。然而，由于电解质和活性材料之间的界面接触较差，将β-氧化铝应用于室温钠电池仍存在较大的挑战。对于有机SSE来说，离子电导率低，热稳定性差和机械强度弱这些缺点也阻碍了它们的实际应用。本文作者指出，为了实现固态钠电池在室温下的实际应用，进一步的研究应集中于以下几个方面：首先，基于基本设计原理和理论计算，设计具有高性能（例如高离子电导率和良好化学/电化学稳定性）的SSE。其次，通过实验研究优化SSE和界面的综合性能（如离子电导率和稳定性）。第三，采用更先进的原位技术来表征固态钠电池中的SSE和界面。
（参考材料人报道）
人工智能系统的智能生成机理
通过自动化、机器学习及高性能计算加快材料开发
论文原标题：Accelerating Materials Development via Automation, Machine Learning, and High-Performance Computing
发表期刊：Joule
本文系统地阐述了人工成本-时间成本-计算开发等方面的相互制约及解决方案，详述了加快材料开发周期所必须进行的关键步骤——计算辅助。作为科学进程中不可或缺的一部分，高性能计算、自动化和机器学习等新兴技术的结合有望加快材料发现的步伐，更好地协调市场和利益相关者（投资者和研究人员）之间的关系，缩短回本周期，提高投资回报。首先，工具自动化可以对候选材料进行快速实验检测。其次，高性能计算可通过预测和推断体积、界面和缺陷的相关属性，将实验带宽集中在有前景的化合物上。第三，采用机器学习连接前两者，将实验产出应用于理论的自动完善并改进下一个实验。本文作者认为，本研究是材料领域的先驱，并且在未来十年，这种工具组合将改变人们进行材料研究的方式。
（参考材料人报道）
量子计算在能源存储领域的展望和挑战
论文原标题：The Promise and Challenges of Quantum Computing for Energy Storage
发表期刊：Joule
电池的性能和成本与其使用的材料密切相关。考虑到设计的约束条件，人们对使用基于薛定谔方程计算建模来预测和设计更好的储能材料产生了相当大的兴趣。在解决薛定谔方程的许多方法中，密度泛函理论（DFT）是最常见的。尽管DFT方法在计算和预测反映锂离子电池性能的几种指标方面取得了一定成果，但是在电池技术中几个重要研究领域中，DFT并不适用。本文作者提出，通过利用量子计算方法可以解决超出DFT能力的问题。
量子计算机可以解决一些在传统计算机上无法解决的化学和材料问题，并且得到的解决方案基本准确，并且可能会否定当前方法（如DFT）所需的领域知识。量子计算的应用很可能改变许多材料的设计方法。
然而，量子计算面临的挑战同样巨大。目前的系统在纠缠量子比特和保真度方面水平有限，限制了在设备上执行的量子操作的数量。量子计算虽然还处于初期阶段，但它在储能方面的潜在应用值得深入调查和研究。
（参考能源学人报道）
氢燃料电池动力系统
液态太阳能燃料的生产及其在燃料电池中的应用
论文原标题：Production of Liquid Solar Fuels and Their Use in Fuel Cells
发表期刊：Joule
本综述重点介绍了利用太阳能生产液体燃料及其在直接液体燃料电池中的应用。被用于制造太阳能液体燃料及储氢材料的甲酸是本文讨论的主要对象。另外，本文作者还讨论了甲酸在直接甲酸盐燃料电池中的用途。其他可减少二氧化碳排放的产物，如甲醇和甲醛等，也能用作太阳能液体燃料及储氢材料，为此，本文作者讨论了相应的燃料电池的性能。另外，综述还涉及氨和肼等固氮分子的生产以及相应的燃料电池。最后，文章作者讨论了利用太阳能将纯水、海水和空气中的分子氧合成过氧化氢的可能途径，并与最近开发的单室过氧化氢燃料电池相结合。
可再生合成燃料
液态阳光让未来充满能量
论文原标题：Powering the Future with Liquid Sunshine
发表期刊：Joule
“液态阳光”源于丰富的阳光、二氧化碳和水，属于可再生绿色液态燃料。在化石燃料枯竭的未来，液态阳光可能是解决能源问题的关键。在此，施春风、白春礼、张涛、李静海四院士联合评估了使用醇作为能量载体来实现全球3E目标和解决相关挑战的重要性，旨在为制造业和政策制定者提供更全面的视角，了解从化石到绿色醇燃料的逐步过渡所带来的成本和收益，并为通向阳光的未来提供可行的途径。
（参考纳米人报道）
海洋天然气水合物和油气一体化勘探
开发机理和关键工程技术
为煤基化工业建立混合能源体系
论文原标题：Hybrid Energy System for a Coal-Based Chemical Industry
发表期刊：Joule
尽管有利于减少碳排放的可再生能源已经成为替代化石燃料发电最有前景的方案，但化石燃料仍然是为人类生活生产提供“碳”产品所必需的。煤气化为化学品的过程排放了大量的二氧化碳。很明显，清洁的氢气供应是煤化工行业减少二氧化碳排放的关键。此前有科学家提出了一种混合能源体系，能够将来自核能或可再生能源的可再生氢与煤结合，从而制造燃料和化学品。本综述系统地分析了混合能源体系的建立，探讨了该体系在煤炭资源丰富的国家，特别是中国和美国的适用性，继而讨论其碳减排潜力和经济可行性。本文作者指出，混合能源体系适用于大多数煤炭密集型国家，并将在未来5到15年内带来显著的碳减排潜力。此外，随着可再生能源、核能的电力成本降低，混合动力系统显示出了巨大的潜在经济竞争力。
海水取锂
论文原标题：Lithium Metal Extraction from Seawater
发表期刊：Joule
锂是现代社会最重要的矿物资源之一，被广泛应用于各种工业生产中。以目前技术，锂的提取率相对较慢，需要经过多步处理才能获得金属锂或固体锂化合物，无法满足对金属锂的大量需求。此外，目前大多数锂提取技术还需要外部能源。本研究提出了一种以太阳能为驱动，基于组合电解液（hybrid electrolyte）策略和离子选择性固体薄膜的恒流电解技术，成功实现从海水中提取金属锂单质，并且同时实现了锂资源的回收和太阳能的转换/储存。该技术的问世为海洋锂资源开发和太阳能向化学能的转化存储开辟了全新的道路。
（参考能源学人报道）
关于Joule
Joule是Cell Press细胞出版社旗下能源类旗舰刊物，传递能源领域最前沿信息，是一本前瞻性科学期刊，不断激发新的科研灵感惠及当下及未来。
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