1月13日，美国能源部（DOE）发布招标公告，将投入4.2亿美元对能源前沿研究中心（EFRCs）进行第六轮资助^[1]，旨在通过清洁能源技术、先进和低碳制造以及量子信息科学的早期研究推进气候解决方案，以实现到2050年净零排放目标。本次招标重点关注EFRCs是否在DOE多个研讨会和圆桌会议报告^[2]中确定的优先研究方向和优先研究机会上作出贡献。

一、清洁能源科学

1、氢能

DOE基础能源科学圆桌会议《碳中和氢能技术的基础科学》报告提出4个优先研究机会：发现与控制材料和化学过程以彻底革新电解制氢系统；操控氢的相互作用机制以充分发挥氢作为燃料的潜力；阐明能源效率和原子效率相关的复杂界面结构、演化和化学问题；认识并缓解性能退化过程以提高氢能系统的耐用性。

2、液态太阳燃料

DOE基础能源科学圆桌会议《液态太阳燃料》报告提出4个优先研究机会：理解液态太阳燃料生产关键组件（如光吸收剂、催化剂、电解质等）的耐久性和性能机制；控制催化剂微环境以促进选择性和高效的燃料生产；光激发和化学催化转化的时间和长度尺度耦合；设计复杂现象的相互作用以实现集成多组分系统。

3、核能

DOE基础能源科学研讨会《未来核能基础研究需求》报告提出5个优先研究方向：熔盐冷却剂和液体燃料的变革性设计；复杂反应堆环境下的材料设计和合成；通过界面设计与控制降低极端核环境对长期性能和可靠性的影响；揭示耦合的极端环境下时空过程的多尺度演化；识别和控制来自罕见事件和级联过程的意外行为。

4、催化科学

DOE基础能源科学研讨会《催化科学基础研究需求》报告提出4个优先研究方向：设计精确控制化学反应的催化剂结构；了解和控制催化剂的动态演化；在复杂环境中操纵反应以选择性地引导催化转化；设计用于高效电驱动化学转化的催化剂。

5、电力储能

DOE基础能源科学研讨会《下一代电力储能基础研究需求》报告提出5个优先研究方向：材料和化学的功能调控以实现储能的整体设计；跨时空尺度的复杂电子、电化学和物理现象研究；控制和利用在动态界面处形成的复杂相间区域；通过创新的物质组合（电极材料、电解质化学物质等）彻底改变储能性能；促进自修复并消除有害化学物质以延长使用寿命并提高安全性。

6、能源和水

DOE基础能源科学研讨会《能源和水基础研究需求》报告提出4个优先研究方向：多组分流体的静态和动态特性预测；复杂和极端环境中界面和输运的机械控制；利用特定材料-流体相互作用设计和发现创新的流体和材料；科学利用地下系统对水的存储和处理产生变革性影响。

7、地下技术和工程

DOE基础能源科学圆桌会议《控制地下裂缝和流体流动：基础研究议程》报告提出3个优先研究方向：断裂系统中的反应多相流；应力岩石中的化学-力学耦合；纳米多孔岩石结构、渗透性和反应性。

8、碳捕集

DOE基础能源科学研讨会《碳捕集基础研究需求》报告提出了8个优先研究方向：界面过程和动力学；新型溶剂和化学成分；新型工艺概念；新型吸附剂材料架构的设计、合成和组装；低焓循环的协同过程；用于碳捕集的新型膜分层结构；高性能分子膜设计；碳捕集的替代驱动力和刺激响应材料。美国国家科学院《负排放技术和可靠封存：研究议程》进一步提出了直接空气碳捕集（DAC）技术的7个基础科学研究方向，包括：低成本、可扩展的固体吸附剂及接触器开发；减少DAC过程热需求的策略；可增强二氧化碳吸附能力以及反应和扩散动力学的新材料开发；液体溶剂和固体吸附剂的优化设计；识别由溶剂和固体吸附剂释放到环境中的潜在降解产物，尤其是固体胺基吸附剂；针对DAC的特定工艺开发；DAC工艺的全生命周期分析。

9、太阳能利用

DOE基础能源科学研讨会《太阳能利用基础研究需求》报告提出了13个优先研究方向：变革性光伏器件，光伏电池效率达到50%；通过基于分子、聚合物或纳米颗粒结构的“塑料”太阳电池提供低成本太阳能发电系统；低成本高效纳米结构太阳电池；用于高效光电解的新型光电电极；利用光合作用可持续生产生物燃料；利用仿生智能矩阵优化太阳燃料生产；太阳能制燃料的高效催化剂；人工光合系统仿生分子组件；容错和自修复的太阳能转化系统；太阳能热化学燃料生产；新型实验和理论工具；太阳能转化材料的设计；太阳能转化装置复杂构造的组装。

二、先进制造科学

1、变革性制造

DOE基础能源科学研讨会《变革性制造基础研究需求》报告提出了5个优先研究方向：组件和系统的原子级构件的精确、可扩展合成和加工；集成多尺度模型和工具以实现制造过程的自适应控制；通过工况表征的创新完全理解制造工艺；引导原子和能量流以实现可持续制造；通过材料、工艺和产品的协同设计革新制造过程。

2、聚合物化学升级再造

DOE基础能源科学圆桌会议《聚合物化学升级再造》报告提出4个优先研究机会：掌握聚合物解构、重构和功能化的机理；理解和发现混合塑料升级再造的集成工艺；设计用于化学循环的下一代聚合物；开发新型工具以发现和控制大分子转化的化学机制。

3、微电子

DOE基础能源科学研讨会《微电子基础研究需求》报告提出5个优先研究方向：定义由应用程序、算法和软件驱动的创新材料、设备和架构要求；彻底改变内存和数据存储；重新构想不受互联限制的信息流；利用未开发的物理现象重新定义计算；通过新材料、设备和架构重塑电网。

4、合成科学

DOE基础能源科学研讨会《能源相关技术合成科学基础研究需求》报告提出4个优先研究方向：实现合成控制以获取新的物质状态；通过利用极端条件、复杂化学和分子以及界面系统来加速材料发现；利用分层物质的复杂功能；整合新兴理论、计算和原位表征工具，通过实时自适应控制实现定向合成。

三、其他优先领域

1、化学和材料科学的量子计算

DOE基础能源科学圆桌会议《化学和材料科学的量子计算机会》报告提出4个优先研究机会：控制非平衡化学和材料系统的量子动力学；揭示强相关电子系统的物理和化学；将量子硬件嵌入经典框架；利用量子算法改进经典计算。

2、下一代量子系统

DOE基础能源科学圆桌会议《下一代量子系统基础研究机会》报告提出4个优先研究机会：通过人工量子相干系统实现量子信息系统的特定功能；增强量子系统中相干性的产生和控制；发现量子传输的新方法；量子方法用于先进传感和过程控制。

3、变革性实验工具的创新和发现

DOE基础能源科学研讨会《变革性实验工具的创新与发现基础研究需求》报告提出4个优先研究方向：开发突破当前时间、空间和能量分辨率限制的创新表征和控制方法；开发创新实验方法以研究复杂的“现实世界”；开发和整合可在时间、长度和能量尺度同时表征复杂材料和化学系统多个关键特性的工具和实验方法；通过整合实验、理论和计算，推动仪器设计的新范式。

4、能源相关技术的量子材料

DOE基础能源科学研讨会《能源相关技术量子材料基础研究需求》报告提出4个优先研究方向：控制和利用电子相互作用和量子涨落设计新功能材料；利用拓扑状态实现突破性的表面特性；驱动和操纵纳米结构中的量子效应（相干性、纠缠）以实现变革性技术；设计革命性工具以加速量子材料的发现和技术部署。

美国DOE于2009年建立了能源前沿研究中心这一创新机制，依托大学、国家实验室等挂牌建立大量的小型研究中心，汇集了跨领域（不同学科）、跨机构（大学、国家实验室、非营利研究组织）的研究人员和资源，联合开展能源基础前沿研究。迄今为止，DOE已经资助88个能源前沿研究中心，其中41个处于执行阶段。           （岳芳 邢颖）