973项目申报书模板3.doc

PAGE PAGE 48 项目名称： 高效低成本直接太阳能化学及生物转化与利用的基础研究 首席科学家： 郭烈锦 西安交通大学 起止年限： 2009.1至2013.8 依托部门： 教育部 一、研究内容 1、拟解决的关键科学问题 本项目拟解决的核心及关键科学问题主要包括两个层面： 第一、太阳能制氢催化材料的定向筛选、优化及与之匹配的制氢反应体系构建，制氢反应过程的多尺度表征； 第二：直接太阳能化学及生物制氢系统各部件的匹配耦合原则、安全稳定运行理论及其高效低成本化途径研究。 2、主要研究内容 针对关键科学问题一，本项目主要研究内容包括： 1）可见光响应催化剂的可控合成、性能优化及多尺度表征；2）光化学反应过程中光生电子、空穴激发、迁移、转化过程的调控规律及谱学分析；3）无机牺牲剂、有机牺牲剂、天然海与及盐湖卤水、纯水及硫化氢等五类高效光催化制氢反应体系与催化剂的高效匹配及其反应动力学；4）太阳能热化学转化过程反应机理及功能材料（含催化剂）的设计、筛选、优化、制备与表征；5）光生物产氢代谢机制研究、基因测序及其产氢关键功能基因调控；6）模拟酶转化—光系统II放氧酶和氢化酶的结构与功能模拟。 针对关键科学问题二，本项目主要研究内容包括： 1) 太阳能多光谱聚光、吸热与反应器等部件和系统的高效低成本化设计理论?；2) 太阳能多光谱传播、分布及其与多相流动、传热传质和化学、生物反应耦合的过程规律与调控特性；3) 太阳能高效存储与释放理论及低成本化实用途径研究。 二、预期目标 1、总体目标 本项目将以高效低成本的直接太阳能光、热化学及生物转化与利用为目标，解决高效、低成本、直接太阳能制氢的核心关键科学问题。重点研究高效低成本制氢催化剂及微生物的定向筛选、优化与调控及与之匹配的反应溶液体系的构建，制氢反应动力学及过程的多尺度表征与谱学分析；研究直接太阳能化学及生物制氢系统内各环节各部件的匹配与耦合原则、安全稳定运行理论及其高效低成本化途径等基础科学问题，建立直接太阳能高效、低成本地转化为氢能及其它能源产品的新方法、新体系。把我国太阳能热化学、光化学及生物制氢的整体研究水平推进到国际一流水准，在高效低成本的直接太阳能制氢系统的原创性、集成效率与大规模工业化应用的理论等方面走到世界最前列。发表在国际学术界有重要影响的高质量高水平系列论文，形成在某些方面引导国际学术研究走向的局面；形成50～60项发明专利及专有技术；培养一批优秀人才，形成一支思想和业务素质均过硬的研究队伍。为推动我国氢能等可再生能源体系的建立、发展和完善，在国际可再生能源规模化利用和工业发展中掌握科学技术主导权，为实现我国可持续发展战略目标做出实质性的科学理论与关键技术性贡献。 2、五年预期目标 科学理论层面： 揭示太阳能热化学、光催化、生物制氢系统中多相流动力学、多相传热传质及规律与机理和反应动力学及机理；揭示太阳能流高效聚集、传输、分配及吸收规律与机理；揭示复杂条件下太阳能吸热器腔体内工质、炉壁管内高温熔融盐类介质与热化学反应器内反应物的多场耦合传热传质规律与机理；形成高温热能高效蓄存与释放理论；建立高效低成本新型吸热器、太阳能热、光及生物化学反应器设计理论与方法；建立新型高效低成本太阳能聚集理论，形成聚光装置设计与加工方法。 揭示光化学反应的界面过程以及相关的反应过程规律；确定不同微/纳米构造的光催化剂的结构、形态与光催化活性间的关系，建立电子转移和输运过程的模型；揭示自由电子－空穴对的分离、存活寿命和再结合的规律和深层机理，并指导高活性低成本光催化剂设计；揭示光解水制氢过程催化剂活性衰减规律及机理；提出高效稳定催化剂的设计准则。揭示复杂多组分多相流光解水反应制氢体系内部电荷传输规律；提出数类光解水体系中光催化剂与反应介质、牺牲体系间相互作用的基本规律；揭示数类新型光解水制氢体系的产氢规律，并建立相关数学模型。确定光解水制氢反应动力学原理与特性规律，建立反应动力学模型；构筑Z-型太阳能光催化分解水制氢新体系；对过渡金属氧化物等中异质结和异相结的问题展开深入的研究，阐明光子吸收，电子/空穴分离等微观光电过程的与材料结构的关系；发展新的纳米半导体异质结和异相结光催化材料；模拟PSII系统水氧化及唯铁氢化酶放氢的机理，设计、合成和组装出若干具有光活性的模拟放氢酶体系和模拟水氧化酶体系，通过研究这些体系太阳能驱动放氢过程、效率和动态学，阐明放氢放氧机制和微环境对活性中心催化性能的影响，构建有效的基于非贵金属的太阳能转化制氢的模拟酶体系；对新型化学催化体系进行超快电荷转移动力学机制研究，揭示电荷分离与转移过程的基本规律；在催化剂表面催化过程的原位实时光谱测量技术方面取得较大进展；建立能带工程优化和设计的理论，以及半导体异相、异质结的构建理论。 阐明微藻光合作用水裂解产氧与