2024年度，理化所锚定目标，协力推进科研工作，取得了一批重要创新成果。为进一步总结成绩、鼓舞士气，经各部门推荐和综合评选，从三十余项成果中评选出理化所2024年度十大科技进展。
1. 我国首台套自主研制的5吨/天氢液化器
理化所自主研制的国内首台套5吨/天级大型氢液化系统在北京满负荷测试调试成功。
液氢是运载火箭的优选推进剂，亦是解决氢能储运成本过高的重要抓手。该项成果攻克了一系列关键核心技术，实现了大型氢液化系统的完全国产化，形成了成熟的大型氢液化器工艺包，建立起我国自主生产氢液化器的技术体系。该技术体系采用了更安全、无临氢动部件、可生产过冷液氢的氦制冷循环技术，成功研制了基于该技术体系的5吨/天氢液化装置，装置的单台产量、系统能效比等各项性能均达到国际先进水平，入选2024年中关村论坛、2024年大湾区科学论坛成果展示。
2. 理化所为法国定制温度标定用低温恒温设备
低温恒温设备是获得精确、稳定实验条件的必要基础，是提高低温计量领域测量结果准确性和可靠性的重要支撑。近年来，理化所攻克了高稳定性低温控温关键技术，获得了国际同行认可，并实现了相关低温设备出口。
2024年，理化所为法国定制了温度标定用低温恒温设备，并于3月出口交付法国，这不仅推动了法方相关低温温度标准装置的研发，而且提升了我国在低温计量领域的国际影响力。中国科学技术部部长阴和俊、中国科学院理化技术研究所副所长郭晓勇等出席并见证了低温恒温设备的协议签署仪式和交付仪式。
3. 天关卫星制冷装置
理化所研制的天关卫星后随X射望远镜（FXT）制冷装置，可在近地轨道复杂外热流扰动下，将两个X射线探测器冷却至180K并精准控制在±0.08K区间，有力保障了FXT对遥远天体的高精度观测。
FXT制冷装置在国际上首次将脉冲管制冷机应用于X射线CCD空间探测，该制冷机是国内重量最小的空间脉冲管制冷机的首次业务应用，制冷机与FXT进行一体化设计，有效节省了平台重量、功耗和散热等资源。
天关卫星于2024年1月发射，10月正式交付科学用户，其制冷装置技术指标远优于合同要求。机械制冷方案得到国内外合作单位的一致高度评价。
4. 仿生纳流通道用于稀土镝离子的高效分离与提取
研究聚焦于稀土蛋白中的关键脯氨酸片段，将其作为功能分子，利用限域空间原位接枝技术，在国际上首次构建了能选择性传输稀土离子的仿生通道膜，实现了高达46的轻/重稀土离子分离系数，达到国际领先水平。该工作解析了功能分子对稀土离子的选择性络合行为，揭示了独特的“环抱式”络合机制，为稀土离子的绿色分离提供了创新策略。
研究提出了基于仿生离子通道的稀土离子绿色分离技术，全程无需使用或排放有机溶剂和酸碱溶液，有效解决了传统溶剂萃取法的环境污染与工艺复杂难题。该技术实现了稀土离子的逐级高效分离，能够在复杂体系中精准提取镝离子，为稀土资源的可持续利用提供了有力支持。
该技术在复杂稀土离子分离、钕铁硼磁铁循环利用及稀土矿物高效开采等方面展现出巨大潜力。通过仿生离子通道，成功提取出高纯度镝（>99.9%）并实现钕的高效富集（99.8%），对推动高精密电子仪器等高端制造业的发展具有重要意义。
5. LNG船用混合工质型再液化装置
再液化装置作为LNG（Liquefied Natural Gas）运输船、LNG加注船和LNG动力船上的关键核心低温设备，主要利用低温制冷机将LNG蒸发气（BOG，Boil-Off Gas）冷却液化或将LNG液体过冷后送回船舶液货舱，这样既避免BOG直接排放引起经济损失和环保问题，又保障了液货舱压力的稳定和安全。为实现LNG船用再液化装置的国产化应用，理化所混合工质制冷技术团队联合齐耀动力技术团队聚焦关键技术，经过多年联合攻关，成功研发1t/h和1.5t/h LNG船用混合工质型再液化装置，装置采用理化所具有自主知识产权的半封闭油润滑螺杆压缩机驱动的深冷混合工质节流制冷技术，同时参与起草相关国家标准和行业标准。2024年，1t/h LNG船用混合工质型再液化装置完成了关键模式运行、变工况运转等多项性能试验验证，顺利通过中国船级社（CCS）的认证，该装置在40℃高温环境下进行多次性能测试，满足设计指标要求，液化性能优于国外公开报道的同类产品。
6. 百瓦级大能量纳秒脉冲紫外固体激光技术
大能量纳秒脉冲紫外激光可用于熔化与蒸发多种氧化物材料，并蒸镀在铜基带上形成高温超导带材，是其中的关键核心技术之一。超导带材广泛应用于可控核聚变、磁悬浮、高能粒子加速器、核磁共振谱仪等领域，在能源、交通、科学前沿等方面具有重要意义。
理化所采用Nd:YAG激光三倍频产生紫外激光的技术路线，突破了高功率纳秒调Q脉冲振荡、低波前畸变行波放大、紫外强激光薄膜制备、高抗损伤高稳定性紫外变频等系列关键技术，研制出百瓦级大能量纳秒脉冲紫外固体激光器样机，通过了专家组现场测试，获得355nm紫外激光平均功率138.8W、脉冲能量达174mJ、光束质量M2~8.9、重复频率800Hz、脉冲宽度26.6ns，综合指标达到国内领先、国际先进；并且在上海超导公司成功完成了超导带材制备的试用：每天8-12小时、周期达2个月，为实现产业化应用奠定了基础。
7. 多场协同的高效热声驱动制冷系统
热声驱动制冷机是一种新兴的制冷技术，具有无机械运动部件、工质环保等优点；然而当前其效率较低，其热制冷系数（COP）难与吸收式等主流技术相比。针对这一痛点，提出了一种多场协同的功流旁通型热声驱动制冷机新流程，通过旁通部分发动机入口的功流，在高加热温度下取得了发动机和制冷机良好的功流匹配，实现了压力场-速度场以及功流场-温度场的良好协同，进而大幅度提高了系统的COP。初步实验表明，在标准空调制冷工况下，系统的COP可达1.34，整机相对卡诺效率达到21.4%。在相近的制冷工况下，该COP是以往公开报道的同类型样机最高水平的3.4倍，超越单效吸收式制冷系统，可媲美双效吸收式制冷系统，显著提高了热声驱动制冷系统的竞争力，有望推动热声驱动制冷技术的工程化。
该工作被中国科学院、科技日报、中国制冷学会、美国物理联合会、美国科学促进会等国内外科研机构和媒体广泛报道，并入选中国科学院英文网站2024年第一季度十大亮点成果之一。
8. 单分子分散实现高效、高选择性、高稳定性CO2还原
高效、高选择性催化CO2还原反应对于实现碳循环，缓解能源和环境问题具有重要意义，为可再生能源以储存在化学键中的形式转化为高附加值的燃料和化工原料提供了方案，是助力实现“双碳”目标的有效途径。目前众多催化体系已展现出可观的CO2还原性能，但每个催化剂的本征活性难以发挥，特别是在高浓度条件下，催化剂的簇集和脱落制约了催化剂活性和稳定性，表现为内在活性（turnover frequency，TOF）与外在活性（如电流密度，J）之间的失衡。
理化所研究团队从分子设计角度出发，通过催化剂主体骨架的修饰，利用超分子作用打破了内在活性与外在活性之间的权衡，解决了分子易于在载体表面聚集及易于从载体表面脱落的问题，实现分子催化剂内在活性的充分利用。通过简单工艺构筑单分子分散的稳定催化剂，高选择性地实现CO2还原为CO，选择性>96%，且在各种负载浓度下CO2还原反应的TOF保持不变。实现了高TOF和高电流密度兼得（在38 mA/cm2时TOF为111 s-1），为促进CO2还原反应的实际应用开辟了新的途径。
9. 依托国家重大专项推动8K超高清激光显示创新应用
实施并推动了“超高清激光显示关键材料研发与产业化”方向列入到“科技创新2030重大项目——重点新材料研发与应用重点专项”实施方案之中。理化所作为专项产品责任单位（全国共80余家），从管理架构、技术研发、产业应用等方面为后续重大专项顺利实施提供了坚实支撑。在重大项目推进过程中，牵头联合国内十几家优势单位组成联合体，围绕材料、器件、整机与产业应用，设计和部署了覆盖上下游全链条的项目群；在研究进展方面，在先期启动的材料项目和中央引导地方专项的支持下，率先实现了基于国产高速大容量图像芯片的8K超高清激光显示整机研发，在2024北京国际灯光节等重大活动实现了示范应用，在京东/亚马逊等平台实现了国内外销售。
10-1. 低介电调节剂及高频高速通讯复合材料
在5G高频高速通信技术中，高性能透波材料能使信号在天线发射和终端产品接收过程中实现大传输及小损耗。理化所在前期基础上，组织国内优势单位进行攻关，突破了低介电调节剂软化学制备及其表面改性、覆铜板及轻质透波材料验证等系列关键核心技术，完成了低介电调节剂的研制，性能与国外产品相当，建成年产500吨生产线；完成了基于国产低介电调节剂的聚苯醚体系、碳氢体系和聚四氟乙烯体系覆铜板的研制，顺利扩试通过终端用户验证并批量供货，产能达到100万张/年；完成了基于国产调节剂的三类轻质高频复合材料的研制，通过了第三方的验证并批量供货，形成20万m2/年的供应能力。高频高速覆铜板和轻质透波材料已在5G天线，汽车雷达，平板键盘，手机后盖等领域批量应用。
10-2. 光/电催化废弃聚酯塑料高值化转化耦合制氢
针对废弃聚酯塑料化学回收过程中面临的产物选择性差、分离提纯难、生产成本高等挑战，率先提出废弃聚酯塑料高值化转化耦合制氢的研究思路，在实现废弃聚酯塑料资源化和能源化利用方面取得了一系列重要研究成果：发展了光/电催化聚酯塑料绿色转化技术，将废弃聚酯塑料转化为高附加值化学品，显著提高聚酯塑料化学回收的经济效益，同时破解制氢降本增效的技术难题；揭示C-O键转化与C-C键断裂的竞争机制与调控规律，实现废弃聚酯塑料高选择性的定向转化；搭建电催化废弃PET塑料重整制备乙醇酸耦合制氢示范装置，完成工业级电流密度下百公斤级中试实验，开发高纯度乙醇酸晶体的分离和提纯工艺。相关研究成果被新华社、光明日报、中国科学报等多家媒体专题报道，受到国内外同行的关注。在第十二届中国创新创业大赛中，“电催化重整废弃塑料PET”项目获辽宁赛区节能环保赛道一等奖，并在全国总决赛中获选优秀企业，名列全国4万多家参赛企业的前1%。
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