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二氧化碳捕集与封存（CCS）技术是将由化学、钢铁、水泥工业，燃煤和天然气发电厂，以及其他工业和设施排放的二氧化碳（CO2）进行分离和压缩，然后将其运输到地质封存点，注入枯竭的油田以提高石油采收率（EOR）和CO2 封存量，或注入深层盐水层进行封存的过程。这种地质封存过程需要观测、监测与证实（MMV）系统，包括大气环境监测、浅地表环境监测、地面地球物理监测和CO2 注入井监测，以确保封存的安全性和封存量。
人类活动造成的二氧化碳（CO2 ）排放是引起全球变暖和气候变化的主要原因之一。绝大部分二氧化碳 的排放来源于化石燃料燃烧，以及钢铁和水泥生产等工业过程。二氧化碳的排放会导致气候变化，而二 氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）是一种可持续性技术，在减排方面具有前景。从这个角度而言，二氧化 碳捕集着重于化学吸收技术，主要原因在于其商业化潜力。本文对各种化学溶剂吸收二氧化碳的能力和 速率进行了总结。二氧化碳的利用重点在于电化学转化途径，即将二氧化碳转化为具有潜在价值的化学 品，这一途径已经备受关注。通过不同二氧化碳减排产品的法拉第转换效率，可对效率的改善情况进行 说明。为了成功应用二氧化碳封存技术，需要更好地了解流体力学、地质力学以及反应运移，本文将详细讨论这几点。
二氧化碳捕集与封存（CCS）的大规模部署在全球实现净零排放的道路中显得越发紧迫，但CCS的全球部 署显著落后于预期。回顾和学习先进国家CCS的成功实例与历史，有助于包括中国在内的国家采取科 学的方法来推动与部署CCS项目。在CCS关键技术研发与示范中，本文认为先进国家CCS科技基础研 究设施的建立是其CCS技术源头创新、成本降低、风险降低、商业化推广及人才培养的源泉。除了激励 政策外，CCS的良性发展，需要从科技基础研究设施过渡到规模化商业化设施，不然难以跨越从小规模示 范到百万吨级CCS中心（hub）与千万吨级CCS hub实施的技术障碍。CO2地质封存是CCS项目的最终目 标与解决捕集CO2归宿的驱动力。进一步提高观测、监测和证实（MMV）CO2封存量、减排量与安全性技 术的精度，仍然是地质封存面临的问题。咸水层CO2封存可以更好地耦合多种碳排放源，是目前需要优 先发展的方向。降低低浓度CO2捕集的能耗、减小化学吸收剂的衰竭、提高燃烧后CO2捕集系统的运行效率和稳定性成为制约大规模CCS部署的关键。对于各国最大程度地开采化石燃料而不是从环境友好 程度较低的产油国进口石油，CO2驱油提高石油采收率（CO2-EOR）也非常重要。
气候变化是21世纪人类和地球面临的最大环境威胁。全球人为温室气体排放是造成极端气候事件日益增多的主要原因之一。自前工业化阶段以来，二氧化碳（CO2 ）累计排放量与累计温升呈线性关系，约占人为温室气体排放总量的80%。因此，准确可靠的碳排放数据是大多数减排政策制定和目标设定的基础 和科学依据。目前，中国已明确制定了2030年前碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和的宏伟目标。为实现更准确的碳排放监测，从而保证减排政策的持续实施和迭代完善，急需开发一个细粒度时空碳排放 数据库。碳排放近实时监测不仅是国家重大需求，也是该学科前沿的科学问题。本文回顾了现有以年为基础的碳核算方法，重点介绍了最新开发的实时碳排放技术及其当前应用趋势。还提出一个可广泛使用 的最新近实时碳排放核算技术框架。相关数据和方法的开发将为中国碳中和战略的相关政策制定提供 强有力的数据支持。最后，本文对碳排放实时监测技术的未来发展进行了展望。
碳达峰与碳中和目标（简称双碳目标）的提出为我国经济社会高质量发展指明了方向。实现碳达峰、碳中和，是一项长期而复杂的系统工程，离不开相关科学研究的支撑与指导。现有研究虽从多方面对如何实现碳达峰、碳中和这一依赖于社会经济系统化发展的命题进行了分析与讨论，但研究庞杂而分散。因此，有必要从历史文献中对这个重要命题进行系统回顾、梳理和总结，厘清相关研究发展脉络，深入挖掘其中热点和难点，凝练基础科学问题，为后续研究明晰方向，为实现碳达峰、碳中和提供支撑。基于此，本研究构建了一套知识集成分析框架，通过对国内外1105篇碳达峰、碳中和相关文献进行汇总梳理，从时空维度追踪领域内国际趋势与发展规律，从技术维度剖析研究热点及主题变迁，从行业维度挖掘支持双碳目标的关键发力点。在此基础上，凝练并提出碳达峰、碳中和研究的关键科学问题，并对我国实现双碳目标的行动方案、优先任务和政策措施提出对策建议。
为了实现碳中和，中国能源系统需要经历深刻转型。本文利用能源-环境-经济模型China TIMES，设计了4个面向碳中和的能源转型情景，对因实现碳达峰时间不同和2050年碳排放量不同引起的转型路径差异进行了比较。结果显示，中国的二氧化碳排放量将在2025—2030年达到103亿~104亿吨的峰值。2050年，中国能源消费总量（电热当量）的60%、发电量的90%将由可再生能源提供，终端电气化率提升至接近60%。能源转型将带来持续的空气质量改善，2050年局地空气污染物排放较2020年减少85%，而提前达峰能够产生更多的近期收益。提前达峰要求在未来10年大量部署可再生能源，并在2025年后加速淘汰煤炭，这加大了近期的减排压力。然而，这些措施能尽早获得更好的空气质量，减少二氧化碳累计排放，为其他部门的转型争取更多时间。另外，本研究还发现，中国2050年的减排压力会在近期对可再生能源的发展、能源服务需求变化和福利损失产生影响。
当前，很多城市已做出碳中和承诺，城市水系统也可以为构建碳中和城市贡献力量。本研究采用多城市时序分析法，评估了阿姆斯特丹、墨尔本、纽约和东京等四个城市，在水系统温室气体（GHG）排放管理方 面的进展情况及经验教训。这些城市在水系统温室气体减排目标制定和排放情况报告方面，一直走在世界前列。尽管这些年来多次“反弹”，但相比十多年前，这4个城市水系统的温室气体排放量都有所下降，近三年平均减排量达到13%~32%。温室气体排放量下降归功于多种工程措施，如太阳能和小型水力发电、沼气定价、污泥消化、焚烧及曝气系统优化等。与此同时，这些城市认识到，在实现碳中和目标的道路上仍有众多挑战，包括动态变化的需水量和降雨量、碳密集型防洪和供水战略、满足新的空气和水质标准以及修正温室气体排放核算方法等。本研究也证实，水系统靠自身实现碳中和十分困难，必须扩大常规的系统边界，统筹外部的工程和非工程机会，携手其他行业共同构建碳中和城市。
氧原子普遍共存于六方氮化硼（h-BN）吸附剂中。如何利用h-BN中的氧原子以强化其与吸附质之间的相互作用，从而提高材料的吸附性能，是一个亟待解决课题。本文以聚合法构建氧原子晶格内部取代和边缘羟基化修饰的双氧原子位点改性BN（BN‒2O）材料。BN‒2O的边缘羟基氧原子能够增强二苯并噻吩（DBT）与其非均匀表面的π-π作用，从而促进多分子层型吸附过程。实验结果表明，相比边缘羟基取代BN（BN‒OH）材料，BN‒2O材料对燃油中DBT的吸附容量提升了12%。密度泛函理论计算还揭示了BN‒2O晶格内部的氧原子可以通过极化吸附质的方式增强其与BN‒2O之间的偶极作用，进一步提高BN‒2O从富含芳烃的燃油中选择性吸附DBT的能力，使得其在燃油吸附脱硫领域表现出更好的应用前景。吸附结果符合Freundlich模型和准二级动力学模型结果。因此，该聚合法同样可被应用于其他杂原子掺杂体系以提升吸附剂的吸附性能。
还原预处理是活化负载型金属催化剂的重要步骤，但很少受到关注。本研究发现负载型镍催化剂的重构过程对预处理条件非常敏感。与使用氢气的传统活化方式相比，用合成气活化催化剂可以产生具有多晶结构的负载型镍纳米颗粒，其中包含丰富的晶界。独特的活化方式使得催化剂上CO吸附得到增强，提高了CO甲烷化率。通过操纵活化条件来调整催化剂结构的策略也可以被用于指导其他负载型金属催化剂的理性设计。
许多天然纤维具有轻质、高强、高韧的特点，其性能优势源于从分子到宏观尺度的多级结构。生产这些纤维的纺丝系统也非常高效，它们为研究人员利用人工纺丝制备高性能生物基纤维提供了诸多灵感。除了优异的力学性能，生物基纤维还被赋予一系列新功能，从而拓展了其在智能织物、电子传感、生物医学等领域的应用。本文概述了近年来生物基纤维的研究进展，详细讨论了不同的仿生纺丝方法、纤维的力学增强策略、纤维的多元化应用。同时，提出了重现天然纺丝系统及认识其动态纺丝过程中的挑战，并展望了生物基纤维的未来发展。
牙釉质是由有序排列的羟基磷灰石纳米晶体和交错的蛋白质基质组成的生物组织，具有优异的力学和美学特性。然而，当牙釉质受损时很难自然再生，并且随着牙釉质损伤不断发展，可能会累及牙髓，甚至牙齿脱落。牙釉质作为最硬的生物复合材料，长期以来一直被认为是一种很有前景的承重材料。因此，了解牙釉质形成过程和牙釉质结构基序，对于设计和工程制造具有高强度和高弹性的仿生复合材料非常重要。既往研究已经对牙釉质的微观结构和力学性能进行了广泛的研究，并通过模拟天然牙釉质的结构及性质开发了各种仿生牙釉质的材料合成策略。本文着眼于仿生牙釉质材料的工程制造，重点介绍仿生牙釉质材料合成策略的最新进展，并讨论其潜在应用价值。
通过调控金属-载体界面间的电子传递提高催化性能已被证明是一种有效且具有挑战性的催化研究策略。本文提出了一种调变铂/碳纳米复合物催化剂中碳载体表面化学性质（载体表面吸电子/给电子含氧官能团），用以精细调控负载金属铂电子性质及其催化性能的方法。本文以氨硼烷水解制氢作为模型反应，结合密度泛函理论（DFT）计算、先进表征技术、动力学及同位素研究，定量关联了载体表面化学性质、铂电荷数与电子结合能、活化熵与活化焓，以及催化活性之间的关系。通过解耦碳载体表面复杂的影响因素，提出铂电荷数可作为实验易测量的催化活性描述符，其中通过铂电荷数的调变可使催化性能提升15倍。在此基础上，首次建立了包含催化剂活性描述符与活性位数量的介观动力学模型，可分别定量催化剂电子与几何效应，并预测催化性能的变化。本文提出的介观动力学模型可进一步用于设计与构筑高效的金属/碳催化剂。
急性肝衰竭（acute liver failure, ALF）发病突然，常常导致死亡。既往动物实验发现，口服益生菌或抗生素都可以减轻药物引起的肝损伤，提示肠道菌群在药物性肝损伤的病理生理过程中发挥着重要作用。然而，其潜在的作用机制尚不完全清楚。本研究旨在通过多组学的方法，研究肠道菌群在ALF中的综合作用。广谱抗生素（broad-spectrum antibiotics, Abx）灌胃4周，明显改善了D-盐酸半乳糖胺/脂多糖[D-(+)-galactosamine hydrochloride/lipopolysaccharide, D-Gal/LPS]诱导的 ALF 小鼠的生存期。RNA 测序显示，在Abx干预的ALF小鼠中，肝脏的炎症反应受到抑制，而整体代谢途径上调。肠道菌群16S rRNA测序发现，Abx重塑了肠道菌群的结构和功能，伴随肠道菌群的色氨酸（tryptophan, Trp）代谢通路增强。此外，经超高效液相色谱串联质谱（ultraperformance liquid chromatography-mass spectrometry, UPLC‒MS）代谢谱检测提示，Abx 干预肠道菌群后，减少了 Trp 的排泄，释放了更多的 Trp 予宿主，犬尿氨酸（kynurenine, Kyn）水平升高，Kyn通路增强。Kyn作为一种内源性芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AhR）的配体， 可以通过结合AhR发挥抗炎和免疫抑制的作用。此外，AhR靶向干预了影响了经Abx预处理或未经Abx预处理的ALF小鼠的预后，表明AhR通路在一定程度上调节了机体对ALF的易感性。本研究表明，依赖肠道菌群调控的色氨酸代谢可以通过调节AhR的活性，影响宿主对ALF的易感性，为更好地管理ALF提供了一个有前景的靶点。
将大脑作为一个整体，观察周围神经受到刺激后大脑反应的动态过程，是深入了解脑功能的基础，也是一个科学难题。本研究发展了一种新型大鼠脑皮层诱发电位微创正交记录方法，结果显示，在该方法下，刺激大鼠正中神经、尺神经和桡神经及其分支，首次获得了可重复、具有不同波形特点、可辨别的脑皮层诱发电位图谱，并将其时空变化规律以可视化的方式呈现出来。此外本研究也记录了正中神经离断4个月后，大鼠脑皮层诱发电位的变化。结果表明，大脑皮层对周围神经刺激的反应具有精确和可重复的时空顺序。本实验方法和波形图谱可作为测试平台用于探索周围神经系统和脑中枢神经系统之间的整体功能交互与动态重塑的时相机制。
综合的空气健康指数有助于强调多种大气危险因素的健康风险，有利于向公众传达不良大气环境的总体风险。本文试图通过整合我国大气污染和非适宜温度相关的每日死亡风险，建立一种新的空气健康指数（Air Health Index, AHI）。本研究从时间序列模型中获得了暴露-反应系数，通过将 2013—2015 年我国 272个城市大气污染物与非适宜温度相关的超额死亡风险求和，构建了新的AHI。估计了基于总死亡率构建的AHI（“总AHI”）与全死因死亡率的关系，并进一步比较了“总AHI”与“特异性AHI”（基于疾病别死 亡率构建）在预测心肺系统疾病死亡率方面的能力。研究发现，空气污染和非适宜温度与28.23%的每日超额死亡率有关，其中23.47%与非适宜温度有关，其余的与PM2.5（1.12%）、NO2（2.29%）和O3（ 2.29%）有关。新的AHI采用了10分制的评分标准，272座城市的平均AHI为6分。AHI与死亡率关系的暴露-反应曲线呈线性，不存在阈值。“总AHI”每增加一个单位，全死因死亡率增加0.84%，心血管疾病、冠心病、中风、呼吸系统疾病和慢性阻塞性肺疾病的死亡率分别增加1.01%、0.98%、1.02%、1.66%和1.71%。使用“总AHI”估计疾病别死亡率风险与使用“特异性AHI”预测的疾病别死亡率风险相似。综上所述，本研究提出的“总AHI”可能是一种有前途的风险交流工具，有利于向公众传达与大气环境有关的健康风险。
藏区农业是西藏自治区独特的历史和文化遗产的重要载体。与内地不同，作为唯一能在海拔4000 m以上生长的谷类作物，青稞是西藏自治区最主要的粮食作物。然而，气候变化对以青稞为主的西藏自治区谷类作物单产的影响仍不清楚。为此，本研究基于1985—2015年西藏自治区农业统计数据，解析了气候变暖对西藏自治区谷类作物单产的影响。研究发现，在20世纪80年代和90年代，气候变暖对西藏自治区谷类作物单产的影响并不显著（P > 0.10）；但21 世纪以来，气候变暖显著降低了西藏自治区谷类作物单产（P < 0.05）。同时，西藏自治区谷类作物单产变化对气候变暖的敏感度几乎加倍：从(−0.13 ± 0.20) t·ha−1·°C−1增至(−0.22 ± 0.14) t·ha−1·°C−1，表明气候变暖导致西藏自治区谷类作物生产更加脆弱。不仅如此，随着气温继续升高，当全球平均气温升幅比工业革命前高1.5 °C 和2 °C时，西藏自治区谷类作物单产对气候变暖的敏感度将比当前再增强1~2 倍，分别达到(−0.33 ± 0.10) t·ha−1·°C−1和(−0.51 ± 0.18) t·ha−1·°C−1。如何应对全球变化、实现农业可持续发展是当前西藏自治区社会发展面临的重大挑战。
块碎石、通风管和热管等主动冷却措施广泛应用于冻土区工程建设，通过强化冷季与外界空气的换热过程降低下伏多年冻土的温度，进而确保气候变暖背景下工程构筑物的长期稳定性。对于气冷类主动冷却措施而言，对流换热过程至关重要，因此掌握构筑物周边流场特征具有重要的意义。结合青藏高原北麓河高等级公路试验示范工程，沿垂直于路基走向的横剖面开展了路基周边近地表流场的长期定位观测。基于6 个观测塔完整的一年观测数据，研究了路基两侧60 m范围内地面以上0.5 m、1.5 m、3.0 m和4.5 m高度上风速、风向的空间分布特征及季节变化规律。结果表明，路基的存在对近地表流场有显著的影响，在背风侧的影响距离可达10 倍路基高度。路基周边近地表风速沿高度的分布可用综合幂次律描述，幂次值为0.14~0.4；远离路基位置幂次值年均水平为0.19，与以往研究中常用值存在差异。讨论了近地表风场的空间分布和季节变化对包括块石、通风管等气冷路基结构工作机制和长期效果的影响，认为低估近地表风场速度剖面的幂次值、忽略风向的季节变化可能导致气冷类主动冷却降温措施设计的不足。现场测试结果可为高原冻土区工程建设提供有益参考。
在现代无线通信系统中，信噪比（SNR）是最重要的性能指标之一。当部件的其他射频（RF）性能设计良好时，无源互调（PIM）干扰可能成为限制系统SNR的重要因素。无论是基站、室内分布式天线系统还是卫星系统，都存在严格的PIM级别要求，以最大程度地减少干扰并增强多载波网络中的网络容量。尤其是5G无线通信等大功率、大带宽的系统，PIM干扰更严重。由于无源互调的复杂性和不确定性，测量是研究和评估无线通信系统无源互调性能的最重要手段。本文介绍了国际电工委员会（IEC）等标准组织推荐的当前主要PIM 测量方法，以及PIM 测量中的几个关键挑战及其解决方案（包括PIM 测试仪的设计、
PIM源的定位、紧凑型PIM暗室的设计，以及PIM暗室的评估方法）。这些挑战对于解决实际无线通信系统中设备可能出现的PIM问题具有重要意义。