2025年高中化學(xué)知識(shí)競賽“化學(xué)能源”利用方案設(shè)計(jì)大賽試題（二）一、可控核聚變能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）技術(shù)原理與核心挑戰(zhàn)可控核聚變通過模擬太陽內(nèi)部的氫核聚變成氦核的過程釋放能量，其原料氘可從海水中提取，氚可通過鋰增殖反應(yīng)獲取，理論上能滿足人類數(shù)千年能源需求。目前主流技術(shù)路徑分為磁約束與慣性約束兩類：磁約束核聚變：以中國“環(huán)流三號(hào)”（HL-2M）裝置為代表，采用托卡馬克構(gòu)型，通過超強(qiáng)磁場將溫度達(dá)1.17億度的等離子體約束在真空室中央。2025年最新突破顯示，其持續(xù)運(yùn)行時(shí)間已達(dá)400秒，能量約束時(shí)間較2023年提升3倍，核心在于優(yōu)化“甜甜圈”狀磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低等離子體湍流損耗。慣性約束核聚變：美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）通過192束激光聚焦于直徑1毫米的氘氚靶丸，在納秒級時(shí)間內(nèi)將燃料壓縮至鉛密度的100倍并加熱至3000萬度，實(shí)現(xiàn)“能量增益”（輸出能量/輸入能量）4.0的里程碑。但該技術(shù)需解決靶丸制備成本（目前每顆成本約1萬美元）與重復(fù)頻率（當(dāng)前最高1次/天）的工業(yè)化瓶頸。材料科學(xué)是核聚變商業(yè)化的關(guān)鍵障礙。面對1億度等離子體沖刷，中國科學(xué)院金屬研究所研發(fā)的鎢-鉭合金壁材可承受10MW/m2的熱負(fù)荷，但中子輻照導(dǎo)致的晶格損傷仍會(huì)使材料壽命限制在8-10年。此外，氚自持率不足（當(dāng)前全球產(chǎn)能僅滿足需求的85%）需通過Li?O陶瓷包層的氚增殖反應(yīng)（?Li+n→?He+T+4.8MeV）解決。（二）模塊化發(fā)電站設(shè)計(jì)方案場景：為長三角工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)200MW核聚變示范電站，需融合以下創(chuàng)新：燃料循環(huán)系統(tǒng)：采用MOF-801金屬有機(jī)框架材料構(gòu)建氚吸附塔，其多孔結(jié)構(gòu)（比表面積2000m2/g）可選擇性捕獲聚變廢氣中的氚，分離效率達(dá)99.99%，降低放射性泄漏風(fēng)險(xiǎn)。能量轉(zhuǎn)換模塊：突破傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，采用華電集團(tuán)最新專利技術(shù)（CN202510965034.2），將氦氣冷卻劑與化學(xué)回?zé)嵯到y(tǒng)耦合，利用甲烷催化重整（CH?+H?O?CO+3H?ΔH=+206kJ/mol）回收反應(yīng)堆余熱，綜合熱效率提升至52%。應(yīng)急安全系統(tǒng)：設(shè)置“雙層真空隔離室”，內(nèi)層采用熔融鹽（FLiBe）作為冷卻介質(zhì)，外層填充硼carbide中子吸收材料，可在10秒內(nèi)終止聚變反應(yīng)，徹底避免類似福島的核泄漏事故。二、金屬有機(jī)框架（MOF）在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用（一）材料特性與能源轉(zhuǎn)化機(jī)制2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果MOF材料，以其“分子樂高”式結(jié)構(gòu)（金屬離子為節(jié)點(diǎn)、有機(jī)配體為連桿）實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)功能調(diào)控：儲(chǔ)氫性能：MOF-525通過Zr??節(jié)點(diǎn)與卟啉配體構(gòu)建的孔隙（孔徑1.2nm），在77K、10MPa條件下儲(chǔ)氫量達(dá)6.8wt%，遠(yuǎn)超美國能源部2025年目標(biāo)（5.5wt%）。其原理是利用金屬位點(diǎn)與H?的Kubas相互作用（σ鍵電子對反饋），實(shí)現(xiàn)可逆吸附。光催化制氫：日本東京大學(xué)開發(fā)的Ti-MOF-74，通過引入釕光敏劑修飾孔道，在模擬太陽光照射下，水分解產(chǎn)氫速率達(dá)18.6mmol/g·h，量子效率42%，關(guān)鍵在于配體到金屬中心的電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）促進(jìn)光生載流子分離。（二）沙漠氫能綠洲設(shè)計(jì)案例場景：在塔克拉瑪干沙漠構(gòu)建“光-氫-儲(chǔ)”一體化系統(tǒng)，技術(shù)路線如下：空氣取水-制氫耦合單元：采用MOF-303鋁基材料（成本較早期版本降低150倍），利用晝夜溫差（夜間濕度40%→白天8%）驅(qū)動(dòng)水分子吸附-脫附循環(huán)，每公斤MOF每日可產(chǎn)水220mL。該水經(jīng)質(zhì)子交換膜電解槽（PEMEC）電解，搭配光伏陣列（效率26.1%的鈣鈦礦/硅疊層電池），日產(chǎn)氫量達(dá)500kg。儲(chǔ)氫與運(yùn)輸：開發(fā)MOF@碳纖維復(fù)合儲(chǔ)氫罐，通過高壓（35MPa）與低溫（-50℃）協(xié)同作用，使儲(chǔ)氫密度提升至80kg/m3，較傳統(tǒng)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫（30kg/m3）降低運(yùn)輸成本60%。氫燃料電池發(fā)電：采用Pt-Ni合金納米顆粒修飾的MOF衍生碳催化劑（ORR半波電位0.92VvsRHE），構(gòu)建50kW質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），用于沙漠科考站供電，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)63%，且-30℃低溫啟動(dòng)時(shí)間＜30秒。三、化學(xué)儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)協(xié)同方案（一）液流電池創(chuàng)新體系全釩液流電池（VRFB）因電解液循環(huán)使用、壽命長（＞15000次循環(huán)）成為電網(wǎng)級儲(chǔ)能主流，但能量密度低（25-35Wh/L）限制應(yīng)用。2025年清華大學(xué)研發(fā)的“混合價(jià)態(tài)有機(jī)液流電池”突破這一瓶頸：正極電解液：采用蒽醌-2,7-二磺酸鈉（AQDS）與TEMPO自由基衍生物的共混體系，通過調(diào)節(jié)pH值（優(yōu)化至9.0）使電子轉(zhuǎn)移數(shù)從2提升至3，容量密度達(dá)65Ah/L。負(fù)極電解液：引入金屬有機(jī)框架衍生的多孔碳負(fù)載錫納米顆粒（Sn@MOF-C），利用Sn2?/Sn??氧化還原對（標(biāo)準(zhǔn)電極電位-0.14VvsSHE），抑制枝晶生長，循環(huán)穩(wěn)定性提升至20000次。該體系在江蘇南通華電綜合智慧能源項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)10MW/40MWh示范應(yīng)用，充放電效率達(dá)78%，度電成本降至0.52元，較傳統(tǒng)VRFB降低28%。（二）MOF基CO?捕集與轉(zhuǎn)化中國新疆風(fēng)城油田的世界最大MOF碳捕集裝置（年處理能力3000萬立方米）采用UiO-66-NH?材料，其Zr??節(jié)點(diǎn)與氨基配體通過氫鍵選擇性吸附CO?，吸附容量達(dá)1.8mmol/g，且可在80℃下真空脫附再生。捕獲的CO?通過以下路徑轉(zhuǎn)化：光催化還原：在MOF-253負(fù)載的單原子Cu催化劑作用下，CO?與H?O在可見光照射下生成CH?OH，選擇性92%，產(chǎn)率達(dá)3.2μmol/g·h。電催化合成：采用流動(dòng)電解池設(shè)計(jì)，以MOF衍生的多孔Co-N-C材料為陰極，在-0.8VvsRHE電位下將CO?轉(zhuǎn)化為CO，電流密度達(dá)300mA/cm2，能量效率65%，產(chǎn)物可直接用于合成燃料。四、開放式創(chuàng)新任務(wù)（任選一題作答，需包含化學(xué)原理與可行性分析）聚變-氫能耦合系統(tǒng)：設(shè)計(jì)一種利用核聚變中子輻照MOF材料實(shí)現(xiàn)氚與氫協(xié)同生產(chǎn)的方案，需涉及核反應(yīng)方程式（如?Li(n,α)T）與材料功能化修飾策略。極端環(huán)境能源站：針對火星基地（大氣成分95%CO?，平均溫度-63℃），提出基于MOF的原位資源利用（ISRU）能源系統(tǒng)，需計(jì)算太陽