2016年12月15日，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布资助7000万美元用于两个主题研究计划[1]。其一是“可再生能源制液体燃料技术研发”（REFUEL），旨在开发新技术利用可再生能源驱动电化学反应，以实现将CO₂、N₂和水转换成高能量密度碳中性液体燃料（CNFLs），并还将开发后续制氢燃料和电力转换技术。其二是“植物根际优化提高固碳能力”（ROOTS），旨在开发新的作物育种方法提高植物根系活力、改良土壤环境，从而增强植物固碳能力和肥料利用率，减少二氧化碳和氮氧化物排放。

一、“可再生能源制液体燃料技术研发”主题研究计划

这一主题计划共资助16个项目，包括两个技术领域：

1、制备氨气和氢气先进技术开发

（1）开发低温氨裂解薄膜反应器，利用非金属催化剂，在450℃以下实现一步法氨裂解制氢，且只产生无害的副产品—氮气，提供经济高效氢气生产途径。

（2）开发高效催化剂材料，并结合高效的氢氧化物交换膜，以提高对氮气的还原活性，从而实现氮气、水到氨气的高效转化，提高氨气生产率，降低生产成本。

（3）利用多孔陶瓷/金属片来构建全新的阴离子交换膜反应器，以在较低的压力和温度下实现催化反应器运行，提高氨气的产率。

（4）研发全新的催化剂以构建全新的哈柏法制氨气系统，将现有系统所需的高压值至少降低20%，提高哈柏法制氨气经济性。

（5）开发高压堆栈，以实现产氢、提纯和压缩存储一体化，大幅简化制氢储氢的基础设施结构。

（6）基于全新的固态电解质和纳米催化剂开发全新的制氨系统，实现温和条件下（100-300℃）水、氮气到氨气的高效转化。

（7）在传统哈柏制氨的过程中引入无机吸附材料，以消除蒸汽中的氨气成分，提高哈柏制氨转化率和产率。

（8）开发空心纤维薄膜反应器，结合低成本、高催化活性的钌金属催化剂，实现氨气高效裂解制氢。

（9）开发全新的微波等离子体制氨气方法，实现低温低压条件下氢气和氮气到氨气的高效转化，将氨气产率提高5倍。

（10）利用可再生能源电力，结合氢氧根离子交换膜，开发全新的氨气制备方法并开展相关示范工作，以降低氨气制备过程的能耗强度和成本。

2、可再生能源制CNFLs技术和发电技术

（1）基于金属钌催化剂电极，开发可逆的电化学电池，能够以氮气和水（或者氨气）为燃料，实现燃料化学能到电能的高效转化；同时开发新方法将氨气产率提高100倍，从而降低燃料制造成本。

（2）基于双功能催化剂和高性能产品提纯技术，开发先进的薄膜反应器，利用二氧化碳、氢气和电力资源，实现高效经济生产二甲醚液体燃料，以替代柴油燃料。

（3）开发全新的中温固态氧化物燃料电池，在650℃温度下实现燃料（氨气）化学能到电能的高效转化，降低燃料电池成本，提高发电效率。

（4）对现有的燃料电池质子交换膜电解槽进行改造，以实现对二氧化碳的高效选择性。

（5）利用电化学电池，以工业或者化工生产中产生的二氧化碳废气和水作为资源，将其转化为二甲醚液体燃料。

（6）基于氢氧化物离子导体薄膜电解质，开发全新的燃料电池，以在约100℃条件下实现氨气燃料化学能到电能的高效转化，产生500 毫瓦/平方厘米的功率。

二、“植物根际优化提高固碳能力”主题研究计划

这一主题计划共资助10个项目，包括两个技术领域：

1、提高高通量植物表型平台对植物表型的分析能力

（1）现场部署集成传感器的植物表型平台，以研究植物根系基因与土壤环境相互作用以及土壤的氮、碳元素循环情况。

（2）开发电阻式传导技术，通过探测植物根系电流变化来表征植物根系生长状态。同时，利用先进算法提取上述电流数据将其输入到生态模型中来识别植物表型和基因型的内在关联。

（3）开发低成本、综合的植物表型平台系统以识别和筛选具有深层根系的玉米品种；开发根系自动成像技术，以监测植物根系结构特征和形态，结合计算机模型确认植物根系深度及其周围土壤的微生物量。

2、增强植株品种和土壤筛选技术

（1）设计全新的植物氮气硅微针传感器和土壤氮气微流传感器，将其应用于植株品种筛选系统，提高作物品种筛选技术的高通量、高分辨率，以加速识别和筛选出具有优秀根系和氮吸收能力的优良作物。

（2）利用非弹性中子散射成像技术，来表征和和量化土壤中的碳元素分布（深度可达30厘米），并形成土壤碳元素分布的空间分布3D影像，以更好地评估和改善土壤，提高筛选优秀根系作物品种的效率。

（3）利用微针传感技术，对植物体液和光合作用的产物进行无损测试；此外，还将利用微量气体色谱仪来测试植物根系周围土壤的化学成分。从而将地下土壤碳元素分布情况和地面的光合作用联系起来。最终促进具有优秀根系的高粱品种的筛选。

3、开发先进的植物根系和土壤成像技术

（1）开发热声子根系成像系统，利用无线广播设备发出超声波信号，同时还具有收集声波信号的传感器阵列。

（2）开发低成本、便携式的核磁共振成像系统，用于实地的根系结构和土壤中水分布成像，以识别出具有优秀土壤养分吸收能力的植物根系和量化植物土壤中可用的水资源。

（3）开发微米级分辨率的X射线计算机断层扫描3D成像系统，用于植物根系结构的详细成像研究。

（4）利用X射线背散射技术，并结合X射线信号接收和排序机器开发全新的便携式根系成像系统，实现对植物根系和土壤的无损观测和成像。                                                 （郭楷模）