能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)的“新工科”改造建議

張樹永　韓喜江

摘 要：能源是人類生存與發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。新能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)化和高效利用必須以化學(xué)原理為基礎(chǔ)?；趯δ茉撮_發(fā)利用過程的分析，本文明確了能源化學(xué)專業(yè)或者應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的能源方向改革應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的知識領(lǐng)域，并對相關(guān)知識結(jié)構(gòu)提出了建議。對按照新工科理念改造能源化學(xué)專業(yè)或者建設(shè)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的能源方向具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：新工科;化學(xué)專業(yè);能源科學(xué)與工程;能源化學(xué);教學(xué)內(nèi)容

能源與環(huán)境是決定人類生存與發(fā)展的兩個關(guān)鍵制約因素。能源科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的能力和水平，是國家高度關(guān)注的戰(zhàn)略領(lǐng)域[1-2]。建設(shè)和完善能源化學(xué)專業(yè)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的能源特色方向（以下統(tǒng)稱能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)），培養(yǎng)一大批具有扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)，能夠從事高層次能源科學(xué)與技術(shù)研究的人才，對保障國家安全和發(fā)展至關(guān)重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)普遍存在教學(xué)內(nèi)容和人才培養(yǎng)的理科化傾向以及過分關(guān)注物理能源的問題，使得專業(yè)的化學(xué)特色不夠突出，學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)和能源知識分析和解決能源相關(guān)復(fù)雜問題的能力和素養(yǎng)不足，難以適應(yīng)新工科快速發(fā)展的需要[3]。為了更好地按照新工科理念對現(xiàn)有的能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)進(jìn)行改造，使其人才培養(yǎng)更加突出化學(xué)特色、應(yīng)用特色和交叉特色，促進(jìn)能源化學(xué)研究的最新成果盡快轉(zhuǎn)化為新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，服務(wù)于國家創(chuàng)新發(fā)展，我們對能源開發(fā)、轉(zhuǎn)化和高效利用等領(lǐng)域所涉及的重要化學(xué)原理與過程進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了改革能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的建議。

一、能源科學(xué)與技術(shù)中的化學(xué)

能源科學(xué)是研究能源的開發(fā)、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸、分配及綜合利用的科學(xué)[4]。在能源開發(fā)和利用的過程中，化學(xué)發(fā)揮著決定性作用，決定著能源科學(xué)發(fā)展的速度和水平。在能源開發(fā)方面，傳統(tǒng)能源如石油、煤炭、天然氣不可再生、儲量有限，可供開采的儲量正日益枯竭。與此同時，這些化石能源的使用，還會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題[5];新興能源如頁巖油、頁巖氣、泥炭、可燃冰的開發(fā)正方興未艾，但這些資源也不可再生，無法長期支撐人類的可持續(xù)發(fā)展;其他一次能源包括水能、核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等，很多都屬于可再生的清潔能源，其開發(fā)與利用正成為人們最為關(guān)注的領(lǐng)域[6]。表1給出了重要的能源類型和開發(fā)利用的方式。

表1中所列能源（嚴(yán)格說應(yīng)該是能源載體）基本都屬于一次能源，即來自自然界、沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的能源[7]，這些能源往往不能直接利用。人們需要通過多種手段，將一次能源中所蘊(yùn)含的能量轉(zhuǎn)化為便于利用的形式，即二次能源[8]。二次能源主要包括電能、熱能和機(jī)械能。將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的過程即能源的轉(zhuǎn)化與利用過程。能源的高效利用、低排放、低污染轉(zhuǎn)化是能源轉(zhuǎn)化利用所追求的目標(biāo)[9]，化學(xué)原理在能源的轉(zhuǎn)化和利用中使用廣泛。能源轉(zhuǎn)化的主要方式列于表2中。

表2顯示，從一次能源向二次能源轉(zhuǎn)化通常需要經(jīng)歷多個步驟，而步驟越多、每一步的轉(zhuǎn)化效率越低，則總的能量轉(zhuǎn)化效率就越低。以火電為例，從燃料燃燒到發(fā)電需要經(jīng)過“化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能”四步，其能源利用率一般只有35%～38%，最高為42%[10]。而使用燃料電池可以直接完成“化學(xué)能→電能”的轉(zhuǎn)化，其能源利用率通常在70%以上，遠(yuǎn)高于火電[11]。因此，能源的高效轉(zhuǎn)化是能源化學(xué)研究的重要方向。當(dāng)然，所謂能源轉(zhuǎn)化是指將能源轉(zhuǎn)化為可以直接利用或者更加便于儲存和運(yùn)輸?shù)男问剑唵蔚姆蛛x過程（非化學(xué)過程如石油煉制）或者轉(zhuǎn)化為非能源材料（如石油化工生產(chǎn)化工原料）不屬于能源轉(zhuǎn)化范疇，也就不屬于能源化學(xué)的研究領(lǐng)域。

能源的分布與利用往往存在巨大的時空差異。如我國的煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源主要分布在華北、東北和西北區(qū)域，而能源消耗最大的區(qū)域則是華北、華東和華南，所以能源的儲存和運(yùn)輸對能源的有效利用至關(guān)重要。為了解決通過公路、鐵路和航運(yùn)運(yùn)煤成本高、效率低、污染重等問題，人們試圖開發(fā)將煤液化后通過管道輸送的方法[12]，目前最有效的方法是通過建設(shè)坑口電站，將煤直接轉(zhuǎn)化為電，再通過高壓輸變電系統(tǒng)進(jìn)行輸送。此時，如何提高坑口電站煤的燃燒效率，降低SO2和NOx的排放量就成為重點(diǎn)。顯然，基于坑口電站集中發(fā)電的處理，比原來分散發(fā)電的處理更加集中，具有效率高、成本更低的顯著優(yōu)勢。另外，以氫能開發(fā)為例也可以說明轉(zhuǎn)變輸運(yùn)方式的重要性。氫能是未來能源，但其常溫常壓下呈氣態(tài)，儲存和運(yùn)輸過程不僅效率低、不方便而且非常危險[13]。因此，人們通常采用壓縮、液化甚至固化的方式儲存和使用氫氣。但這些物理儲存方式效率仍然不高且風(fēng)險很大。人們試圖開發(fā)儲氫合金解決這一問題，這屬于能源化學(xué)中能源材料開發(fā)范疇，但迄今儲氫合金的研究和應(yīng)用還不成熟[14]。將氫氣與二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)獾确磻?yīng)，生成甲酸、甲醇、氨等儲氫介質(zhì)，在需要?dú)錃鈺r催化這些儲氫介質(zhì)分解釋放氫氣不失為一種便捷、高效、安全的方法，因此，相關(guān)研究成為近20年的熱點(diǎn)，構(gòu)成能源化學(xué)的重要研究領(lǐng)域[15-16]。

另外，對太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等新型發(fā)電形式而言，雖然其符合環(huán)保、綠色、可持續(xù)的要求，但發(fā)電的質(zhì)量不高、不穩(wěn)定，電的生產(chǎn)和使用匹配困難，還會給電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來潛在危險[17]。因此，對電能的儲存和調(diào)節(jié)就變得非常重要。將能源轉(zhuǎn)化為易于儲存和運(yùn)輸?shù)男问揭詫?shí)現(xiàn)對能源利用的有效調(diào)節(jié)是能源有效利用的關(guān)鍵之一。表3給出了能源儲存的主要方式。

由表3可見，物理儲能的方法相對單一，而化學(xué)儲能的方式則形式多樣，研究和應(yīng)用的前景廣大，這恰恰是能源化學(xué)研究的最重要領(lǐng)域。其中，“化學(xué)能1→化學(xué)能2”是指采用化學(xué)方法將能源從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種便于儲存運(yùn)輸且安全便捷的形式的過程。電化學(xué)儲能是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的技術(shù)，在能源化學(xué)研究中具有特殊的重要性[18-19]。無論是化學(xué)還是電化學(xué)、光化學(xué)的儲能和轉(zhuǎn)化過程，為了實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化，催化劑（包括電催化劑、光催化劑）的研究都具有舉足輕重的地位。

二、能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)新工科改造建議

通過上面的討論可以發(fā)現(xiàn)，石油化工的重點(diǎn)在于生產(chǎn)化工原料而石油煉制屬于物理過程，不宜作為能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)教學(xué)的重點(diǎn)。將現(xiàn)有能源轉(zhuǎn)化為高效儲能介質(zhì)，如通過轉(zhuǎn)化將石油、煤炭、天然氣變?yōu)闅錃?、乙醇、甲醇等才屬于能源化學(xué)范疇;化石能源的綠色應(yīng)用，如煤的脫硫、脫硝以及高效燃燒、燃燒產(chǎn)物的處理等，也應(yīng)納入能源化學(xué)的教學(xué)范疇;而新型能源材料、能源載體、新型儲能裝置的開發(fā)和高效制備、現(xiàn)有能源的高效轉(zhuǎn)化和有效利用則是能源化學(xué)的最重要內(nèi)容。

因此，能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)新工科改造，在教學(xué)上應(yīng)該使學(xué)生對能源的開發(fā)、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸、分配及綜合利用進(jìn)行全面的了解，重點(diǎn)應(yīng)介紹以下幾個方面。

1.能源化學(xué)理論基礎(chǔ)

（1）能源化學(xué)基礎(chǔ)

熱化學(xué)，燃料性能及其評價，熱功轉(zhuǎn)化方式及轉(zhuǎn)化效率，電化學(xué)基礎(chǔ)，電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化效率，光化學(xué)基礎(chǔ)，光化學(xué)量子效率和能量效率，速率與速率方程，速率的測量，反應(yīng)速率影響因素，反應(yīng)機(jī)理，催化劑性能及其評價。

（2）能源催化

催化化學(xué)基礎(chǔ)：重要能源催化反應(yīng)，催化研究方法。

電催化基礎(chǔ)：多孔電極，氣體擴(kuò)散電極，電催化研究方法，電化學(xué)反應(yīng)裝置，重要電催化反應(yīng)。

光催化基礎(chǔ)：光催化劑，光催化研究方法，重要光催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

（3）能源材料基礎(chǔ)

能源材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能。

2.重要能源轉(zhuǎn)化過程

煤炭的轉(zhuǎn)化：煤炭的加工處理，煤的液化/氣化，水煤氣轉(zhuǎn)化，煤的脫硫脫硝，煤炭的高效燃燒技術(shù)。

原油的開采與轉(zhuǎn)化：原油的催化裂化，原油的加氫裂化，燃油添加劑，高效燃燒，尾氣處理。

甲烷的轉(zhuǎn)化：天然氣水合物開發(fā)，甲烷轉(zhuǎn)化制甲醇，甲烷燃料電池。

合成氣及其轉(zhuǎn)化：合成氣的制備，合成氣制甲醇和碳?xì)浠衔铩?/p>

氫氣的轉(zhuǎn)化：工業(yè)制氫，含氫化合物重整，水的電解，水的光解，儲氫介質(zhì)（儲氫合金、甲醇、甲酸）的合成與制備，儲氫介質(zhì)制氫，氫氧燃料電池。

二氧化碳轉(zhuǎn)化：二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化，（光）電化學(xué)轉(zhuǎn)化，光化學(xué)轉(zhuǎn)化。

甲醇轉(zhuǎn)化：甲醇的制備，甲醇重整制氫，甲醇燃料，甲醇制油，直接/間接甲醇燃料電池。

乙醇轉(zhuǎn)化：乙醇的制備，乙醇汽油，直接/間接乙醇電池。

甲酸轉(zhuǎn)化：甲酸的制備，甲酸分解制氫，直接/間接甲酸燃料電池。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化：常見生物質(zhì)，淀粉和纖維素的轉(zhuǎn)化，植物油脂轉(zhuǎn)化，生物柴油，生物質(zhì)儲氫和制氫。

其他新型轉(zhuǎn)化過程。

3.能源材料

催化材料：重要催化劑及其制備方法。

儲能材料：重要金屬儲能材料及其加工，重要無機(jī)非金屬儲能材料及其制備，重要有機(jī)能源材料及其制備。

輔助材料：電解質(zhì)，溶劑，隔膜，離子交換

膜，其他輔助材料。

添加劑：燃油添加劑，電極添加劑，電解液添加劑。

4.電化學(xué)儲能裝置（包括電池及其制造工藝，電池生產(chǎn)設(shè)備）

電池：一次電池，二次電池，金屬空氣電池，燃料電池，液流電池。

電化學(xué)電容器。

電解池：電解裝置設(shè)計與制造。

5.光能利用

光熱轉(zhuǎn)換，光伏發(fā)電，光電化學(xué)，化學(xué)發(fā)光。

區(qū)別于現(xiàn)有能源相關(guān)化學(xué)專業(yè)，上述內(nèi)容更多地強(qiáng)調(diào)了工程與工藝的內(nèi)容。在人才培養(yǎng)過程中，除了要求在形成整體性、系統(tǒng)性的科學(xué)思維、工程思維和管理思維之外，還要強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)教學(xué)，加大校企協(xié)同育人，強(qiáng)化學(xué)生的研究能力、方案設(shè)計能力、方案的評價判斷能力與生產(chǎn)過程管理能力的培養(yǎng)，使學(xué)生真正體現(xiàn)理工復(fù)合或者理科向工程延伸的新工科特點(diǎn)，能夠成為引領(lǐng)能源技術(shù)和能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新性復(fù)合人才。

三、小結(jié)

本文對各類能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)化和利用的過程進(jìn)行了分析，對能源的形式、能源的轉(zhuǎn)化和能源的利用進(jìn)行了歸類整理，明確了能源研究中化學(xué)的地位和作用，進(jìn)一步明確了能源化學(xué)專業(yè)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)能源方向的新工科改造方向，并給出了能源化學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的建議。

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