20个科学“硬骨头”，Cell Press为你解读丨Chem

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：

1. 暗物质探测

2. 对激光核聚变新途径的探索

3. 单原子催化剂的催化反应机理

4. 高能量密度动力电池材料电化学

5. 情绪意识的产生根源

6. 细胞器之间的相互作用

7. 单细胞多组学技术

8. 废弃物资源生态安全利用技术集成

9. 全智能化植物工厂关键技术难题

10. 近地小天体调查及防御与开发问题

11. 大地震机制及其物理预测方法

12. 原创药物靶标发现的新途径与新方法

13. 中医药临床疗效评价创新方法与技术

14. 人工智能系统的智能生成机理

15. 氢燃料电池动力系统

16. 可再生合成燃料

17. 绿色超声速民机设计技术

18. 重复使用航天运输系统设计与评估技术

19. 千米级深竖井全断面掘进技术

20. 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Chem期刊编辑廖凤麟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。

廖凤麟 博士

Chem 期刊编辑

廖凤麟博士2016年加入Cell Press细胞出版社，负责旗下综合性化学期刊Chem的编辑工作。她毕业于英国牛津大学并从事博士后研究，研究领域为物理化学和催化。

单原子催化剂的催化反应机理

空心CuSx高密度单原子Pt位点催化剂在酸性溶液中选择性还原氧至H2O2

论文原标题：High-Concentration Single Atomic Pt Sites on Hollow CuSx for Selective O2 Reduction to H2O2 in Acid Solution

发表期刊：Chem

为了提高单原子催化剂的单原子位点密度，本研究开创性地提出了制备单原子催化剂的新方法，采用基于氧化还原反应的阳离子交换法合成了负载在空心CuSx球壳上的单原子Pt催化剂（记为h-Pt1-CuSx），其中Pt原子所占比例高达24.8 at%。在O2饱和的0.1M 高氯酸溶液中，h-Pt1-CuSx催化剂能在0.05-0.7V（相对于RHE）的电位范围内以高达92%-96%的选择率将O2还原为H2O2。分别以h-Pt1-CuSx和Pt网作为阴极和阳极催化剂，构筑的电解池能达到546±30 mol kgcat-1 h-1的H2O2产率。EXAFS结果表明，Pt更倾向于与S而不是Pt配位。这使高浓度的Pt以单原子的形式分散在CuSx球壳中，并避免了其团聚。高度共价的Pt-S键对实现高密度单原子Pt位点及提高H2O2的电合成效率功不可没。

（深圳市清新电源研究院供稿）

高能量密度动力电池材料电化学

通过提高输出电压实现高能量密度：高度可逆的5.3V电池

论文原标题：Achieving High Energy Density through Increasing the Output Voltage: A Highly Reversible 5.3 V Battery

发表期刊：Chem

目前锂离子电池的能量密度受限于嵌入阴极的低容量，改善的空间较小。增加电池输出电压或许能大幅度提升电池能量密度。既往大量研究致力于探索电压高于 5.0 V的电池，但由于电解质的电化学稳定性窗口较窄（<5.0 V），因此进展有限。在此，我们报道了一种输出电压为5.5 V的电解质（1 M 六氟磷酸锂置于碳酸氟乙烯中，二（2, 2, 2-三氟乙基）碳酸酯，及氢氟醚[FEC / FDEC / HFE]与二氟（草酸）硼酸锂 [LiDFOB] 添加剂）使5.3V 钴锰酸锂阴极能够提供720 Wh kg-1的能量密度，持续1000个充放电循环，并使5.2 V石墨|| 钴锰酸锂全电池提供480 Wh kg-1的能量密度，持续100个充放电循环。这一发现为开发高能锂电池提供了重要思路。

人工智能系统的智能生成机理

在实验室中执行计算机规划多种医学相关目标分子的有效合成

论文原标题：Efficient Syntheses of Diverse, Medicinally Relevant Targets Planned by Computer and Executed in the Laboratory

发表期刊：Chem

Chematica软件系统包含上百万种已知分子和化学反应，可用于设计八种结构多样化目标分子的合成途径，包括七种具有商业价值的生物活性物质和一种天然产物。实验室中成功运行了Chemetica创建的合成路线，第八种天然产物更是在Chematica的帮助下实现了首次合成。与既往方法相比，利用这一计算机工具进行物质合成可以显着提高其产量并节省成本，提供该物质合成途径的替代方案，或生产既往难以合成的目标分子。虽然Chematica通过模仿人类化学家的思维方式进行工作，展示除了相当强大的力量，但也存在缺憾，例如尚未具备自我学习能力等。

（参考X-MoL报道）

氢燃料电池动力系统

一种缺陷驱动的无金属电催化剂可用于酸性电解质中的氧还原反应

论文原标题：A Defect-Driven Metal-free Electrocatalyst for Oxygen Reduction in Acidic Electrolyte

发表期刊：Chem

酸性ORR是氢气燃料电池的重要步骤，目前几乎只有Pt基贵金属催化剂可以稳定工作。因此，开发廉价且可再生的高效非金属催化剂一直是重要的科学挑战。本研究发现了 一个新的N-S-C配位结构活性位点，通过碳气凝胶中的N-修饰的S缺陷重建后可具有3D分级大—小—微孔结构。这种不含金属的材料表现出优异的氧还原反应（ORR）活性（例如，在0.5M硫酸和0.1M 高氯酸溶液中为0.76V半波电位；在0.1M 氢氧化钾溶液中为0.85V），在酸性和碱性电解质中具有良好的稳定性和高电流密度。实验和计算结果表明，五边形S缺陷对于酸性电解质中的ORR是必不可少的，因为它能使反应性大幅提升。由于局部精确控制电子结构，五边形缺陷间位中的一个石墨N进一步显著提升了反应性，从而形成了ORR在酸中的高活性位点。

可再生合成燃料

光驱动合成气在氧修饰的Fe5C2催化剂上转化为低级烯烃

论文原标题：Photo-Driven Syngas Conversion to Lower Olefins over Oxygen-Decorated Fe5C2 Catalyst

发表期刊：Chem

烯烃作为一种非常重要的高附加值化工原料，在能源化工领域发挥着重要作用。工业上的烯烃主要来源于原油，随着原油的耗量增加，对烯烃的需求不断增长，开发从合成气直接制备烯烃的反应路径来替代传统的石化路线具有十分重要的意义。但是由于该反应需要在高温条件下进行，传统催化剂体系无法同时获得高CO转化率和高烯烃选择性，同时高温高压的条件会造成能耗高，生产价格贵等问题。如何通过可再生能源的利用，从合成气高效制备低链烯烃是该领域的重大挑战。本项研究采用Fischer-Tropsch 烯烃合成工艺（FTO），使用不添加助剂的Fe5C2催化剂，在光照和常压的条件下可使CO的转化率高于49%，在烃类产物中可以得到56%的低碳烯烃（烯/烷比高达11），CO2的选择性低至18.9%，具有对烯烃的高选择性且优异的循环稳定性。

（参考北京大学化学与分子工程学院官网报道）

关于Chem

Chem（IF 18.205）是细胞出版社旗下首本基础科学类刊物，他刊登基础化学以及相关领域的高质量突破性的论文。Chem 为作者提供全方位的服务，不仅能够帮助研究成果获得科学界广泛关注，更助力科研成果的技术转化，对行业以及社会产生重要影响。