新能源材料发展的新概念、新应用与新机遇 中国学科发展战略诸多新奇现象的发现、新概念的提出以及传统材料在新领域的突破，为新能源材料的发展带来了巨大挑战与生机。未来，新能源材料在航空航天领域的应用、模拟自然光合成的研究，以及水伏发电材料体系的构建中，均有可能取得重大突破，引发新能源科技，推动人类的生产生活方式发生深刻变革米乐m6。

　　随着人类探索疆域的拓展，重返月球、载人火星探索等极具挑战性的航天任务已具备可实施性，“拓展人类在太阳系的存在，更好地理解我们在宇宙中的位置”已成为人类的共同目标。2018 年1 月，由十四国航天局组成的国际太空探索协调组（International Space Exploration Coordination Group，ISECG）提出分步实施月球轨道“深空之门”（Deep Space Gateway）载人空间站、月面有人探索、载人火星探索的全球探索路线图。美国历届政府均把载人探索作为太空计划的首要任务。2017 年6 月30 日，特朗普政府签署行政令重设国家航天委员会，提出2033 年载人登陆火星的目标，主导月球轨道深空门户站的建设。2017 年12 月11 日，特朗普政府宣布将重返月球，并最终前往火星。2016 年8 月5 日，美国政府批准公司开展登月活动，月球开发将向民间企业开放，月球被纳入地球经济圈。美国太空探索技术公司（SpaceX）、洛克希德·马丁空间系统公司等航天公司也提出了雄心勃勃的载人火星探索计划M6米乐。载人深空探索已成为当前国际太空活动的前沿热点。正如航海时代创造的奇迹一样，载人深空探索将会创造人类发展史的下一个奇迹米乐m6官网。面对一个遥远的、存在众多未知因素的星球，载人深空探索将会面临一系列前所未有的挑战。

　　航天强国不仅是中国传统文化的“飞天”梦想，更是新时期建设社会主义现代化强国的重要目标，是实施科教兴国战略的重要领域。习多次强调，发展航天事业、建设航天强国，是我们不懈追求的“航天梦”。党的十九大报告也进一步明确提出建设航天强国的战略目标。我国在载人和探月重大科技专项工程的基础上，正计划开展载人登月、月球基地建设等重大任务。

　　在载人深空探索活动中，地外生存是人类实现长期太空飞行（地球和月球轨道任务、地球和火星长期飞行任务）、地外长期居住（月球和火星基地）、地外移民的基本能力。从地球上携带资源来开展载人深空探索，任务成本代价极高，技术上也难以实现，因此，必须对飞行器废弃物原位资源和地外天体原位资源加以有效利用，才能大大减少从地球上携带的物资量，使载人深空探索任务具备可行性。

　　借助太阳能实现地外人工光合成，是支撑未来航天强国的必要手段。地外人工光合成是模拟地球上绿色植物的自然光合作用，通过光电催化，可控地将二氧化碳转化成氧气和含碳燃料的化学过程，是太空探索的核心能力M6米乐。它不仅可通过人工光合成将人类呼吸产生的二氧化碳转化为氧气，实现密闭空间的废弃原位资源再生循环，大大降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求，而且可利用火星等地外大气环境丰富的二氧化碳和水等原位资源生产氧气与燃料，实现人类在其他行星的地外生存，支撑可承受、可持续的载人深空探索任务。因此，通过地面实验、空间实验，分阶段、分步骤研究、开发和验证地外人工光合成技术，将有力支撑载人航天的后续发展。

　　目前国际空间站采用电解水的方式为宇航员补充氧气，针对空间站和火星二氧化碳的原位资源利用（in-situ resource utilization， ISRU），正在研发高温热还原或电解技术，将二氧化碳还原成氧气，但运行条件苛刻（高温、高压条件），能耗高。地外人工光合成技术是现阶段唯一可能取得国际首创的研究成果、解决长期载人航天的关键难题、引领未来载人深空探测发展方向的新技术。

　　自然界的许多生命过程受太阳光主导或依赖于太阳光，因此研究自然光合成是生物学、物理学、化学和材料学交叉学科研究中的一个重要研究领域。在众多研究方向中，植物和藻类对太阳光的利用一直是生命科学领域的重大基础理论课题，包括植物对光的感知、吸收、传递、转化和利用等一系列生物学过程的本质和规律，以及光合作用和光能利用、生物质能及高效光化学能转换的前沿科学技术。它与当今人类面临的能源与环境等国际重大问题密切相关米乐m6，世界发达国家高度重视太阳能光化学转化和利用，推出了一系列的重大研究计划，如欧盟的“太阳能-氢”计划、“人工树叶”计划，并成立相关研究联盟，如美国的人工光合作用联合中心、阿贡-西北太阳能研究中心，瑞典的人工光合作用联盟及澳大利亚的人工光合作用网络等。各国科学家正在通过生物学、材料学、物理学、化学等学科，试图揭示太阳能光化学转化的机制，并通过人工模拟光合作用机理产生可再生的清洁能源，构建可持续的新能源体系。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中面向国家重大战略需求的基础研究部分，明确提出了光能高效利用的机理研究。同时，光合作用机理研究也是《创新2050 ：科学技术与中国的未来》中提出的22 个科技战略问题之一。

　　自然光合成提供了一个相对完整的环境，以更复杂M6米乐、更有效的方式来实现太阳能的利用。植物等通过数十种（或更多种）酶协同的生物级联催化过程实现了连续和选择性地用最简单的单元（如CO₂、N₂ 和H₂O）构建复杂的大分子。生物体系可使用活性炭作为反应性结构单元，以促进C—C 偶联，从而避免解吸附反应物再活化产生的能量损失。生物系统的自我修复和生物繁殖速度很快，使其具有潜在的可扩展过程，并减轻了对敏感组件潜在的不稳定性对系统的影响。但是生物光合系统缺点明显，尤其是无法最大限度地实现太阳能的转化。大部分植物的光合作用效率为0.1%，最高也不超过6%。除此之外，当太阳光强太大时（超过20% 太阳光强），会导致光损伤，从而降低转化效率。

　　相比于自然光合作用，人工光合系统中半导体纳米材料具有更宽光谱的光吸收能力，可以设计具有串联结构的互补光吸收器。基于人工合成半导体材料的光合作用器件通过掺杂和异质结M6米乐，可以直接控制电荷分离，系统的相对简单性使得它们更易于以模块化方式进行修改和改进。但是人工光合系统的不足之处在于其高的转化效率通常以牺牲昂贵的高纯度半导体为代价，在电解质溶液的长期浸泡过程中，这种昂贵的材料容易降解，且不能自修复。

　　利用人工系统的功能组件（电极、纳米材料、光吸收剂等）与自然机制（酶的形式或细胞内的整个代谢途径）有机结合，通过“半”人工光合作用可实现太阳能燃料和太阳能化学品的高效生产，同时优化界面电荷转移，克服自然和人工光合作用的局限性，将二者的优势各自发挥到极致，实现自修复、低成本的高转化效率。“半”人工光合成包含模仿或基于光合系统Ⅱ（photosystem Ⅱ，PS Ⅱ）的“半”人工光氧化和“半”人工光还原系统。

　　近年来，以我国学者为代表的研究者发现，水与低维材料通过表界面相互作用可以直接输出电能。类比于光伏（photovoltaic）技术，这类生电现象被称为水伏（hydrovoltaic）效应。水伏效应使得人们能够用纳米材料从水运动和循环过程中直接捕获能量，为水能的利用提供了全新的方式。

　　研究者发现，通过碳纳米管（carbon nanotube，CNT）、石墨烯等低维碳材料与水直接相互作用，可以将水中更丰富的热能和机械能转化为有用的电能。例如，石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能（拖曳势），把波动能转化为电能（波动势）。最近更是发现廉价的炭黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发持续产生伏级的电能。蒸发发电带来的最大优势是它不需要任何机械能输入。在环境蒸发条件下，1 cm 大小的炭黑片可稳定输出1 V 的电压。类比于光伏、压电等能量转化效应，这类通过材料与水作用直接将水能转化为电能的现象被称为水伏效应。2018 年12 月的《自然-纳米技术》以封面亮点标题的形式提出了“水伏学”（hydrovoltaics）一词，并指出水伏是从水中获取电能的全新途径。水伏效应的理论与技术目前仍处于初期研究阶段，但其所展示的发展潜力和独特应用前景已透出水伏科学技术的曙光。

　　新能源材料与技术走向实用化的关键是性能（包括转化效率和使用寿命）与开发成本。新能源材料领域经过多年的发展和积累，正孕育着重大突破，处于迈向大规模应用的关键时期，国际竞争激烈。《》（中国科学院编. 北京：科学出版社，2023.3）一书针对重大科学问题展开研究，以太阳能为主体，氢能、锂电等其他新能源为补充，涵盖能量转换材料，储能材料，新型节能材料，以及新能源材料发展的新概念、新应用、新机遇等四个新能源技术领域。要实现新能源供给和高效利用，需要在以下重点领域形成颠覆性创新技术：

　　本文摘编自《中国学科发展战略：新能源材料》（中国科学院编. 北京：科学出版社，2023.3）一书“摘要”，有删节修改，标题为编者所加。

　　本书涵盖能量转换材料，储能材料，新型节能材料，新能源材料发展的新概念、新应用、新机遇等四个专题。全书针对各专题特点，介绍其研究对象与内容，分析评述了国内外研究现状和发展趋势，并针对我国在这些领域的未来发展提出了相关战略建议与措施。本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、科研院所的研究人员阅读，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南，也是科技管理部门重要的决策参考，同时是社会公众了解新能源材料学科发展现状与趋势的重要读本。