能源相關化學專業的“新工科”改造建議

張樹永　韓喜江

摘 要：能源是人類生存與發展的關鍵制約因素。新能源的開發、轉化和高效利用必須以化學原理為基礎。基于對能源開發利用過程的分析，本文明確了能源化學專業或者應用化學專業的能源方向改革應重點關注的知識領域，并對相關知識結構提出了建議。對按照新工科理念改造能源化學專業或者建設應用化學專業的能源方向具有一定的指導意義。

關鍵詞：新工科;化學專業;能源科學與工程;能源化學;教學內容

能源與環境是決定人類生存與發展的兩個關鍵制約因素。能源科學與技術的發展事關國家經濟社會發展的能力和水平，是國家高度關注的戰略領域[1-2]。建設和完善能源化學專業和應用化學專業的能源特色方向（以下統稱能源相關化學專業），培養一大批具有扎實的化學基礎，能夠從事高層次能源科學與技術研究的人才，對保障國家安全和發展至關重要。調研發現，當前的能源相關化學專業普遍存在教學內容和人才培養的理科化傾向以及過分關注物理能源的問題，使得專業的化學特色不夠突出，學生綜合運用化學和能源知識分析和解決能源相關復雜問題的能力和素養不足，難以適應新工科快速發展的需要[3]。為了更好地按照新工科理念對現有的能源相關化學專業進行改造，使其人才培養更加突出化學特色、應用特色和交叉特色，促進能源化學研究的最新成果盡快轉化為新技術、新業態、新產業，服務于國家創新發展，我們對能源開發、轉化和高效利用等領域所涉及的重要化學原理與過程進行了分析，在此基礎上提出了改革能源相關化學專業教學內容的建議。

一、能源科學與技術中的化學

能源科學是研究能源的開發、生產、轉換、存儲、傳輸、分配及綜合利用的科學[4]。在能源開發和利用的過程中，化學發揮著決定性作用，決定著能源科學發展的速度和水平。在能源開發方面，傳統能源如石油、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，還會帶來嚴重的環境問題[5];新興能源如頁巖油、頁巖氣、泥炭、可燃冰的開發正方興未艾，但這些資源也不可再生，無法長期支撐人類的可持續發展;其他一次能源包括水能、核能、太陽能、風能、地熱能、生物質能等，很多都屬于可再生的清潔能源，其開發與利用正成為人們最為關注的領域[6]。表1給出了重要的能源類型和開發利用的方式。

表1中所列能源（嚴格說應該是能源載體）基本都屬于一次能源，即來自自然界、沒有經過加工轉換的能源[7]，這些能源往往不能直接利用。人們需要通過多種手段，將一次能源中所蘊含的能量轉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、熱能和機械能。將一次能源轉化為二次能源的過程即能源的轉化與利用過程。能源的高效利用、低排放、低污染轉化是能源轉化利用所追求的目標[9]，化學原理在能源的轉化和利用中使用廣泛。能源轉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化通常需要經歷多個步驟，而步驟越多、每一步的轉化效率越低，則總的能量轉化效率就越低。以火電為例，從燃料燃燒到發電需要經過“化學能→熱能→機械能→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“化學能→電能”的轉化，其能源利用率通常在70%以上，遠高于火電[11]。因此，能源的高效轉化是能源化學研究的重要方向。當然，所謂能源轉化是指將能源轉化為可以直接利用或者更加便于儲存和運輸的形式，簡單的分離過程（非化學過程如石油煉制）或者轉化為非能源材料（如石油化工生產化工原料）不屬于能源轉化范疇，也就不屬于能源化學的研究領域。

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能源主要分布在華北、東北和西北區域，而能源消耗最大的區域則是華北、華東和華南，所以能源的儲存和運輸對能源的有效利用至關重要。為了解決通過公路、鐵路和航運運煤成本高、效率低、污染重等問題，人們試圖開發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坑口電站，將煤直接轉化為電，再通過高壓輸變電系統進行輸送。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。顯然，基于坑口電站集中發電的處理，比原來分散發電的處理更加集中，具有效率高、成本更低的顯著優勢。另外，以氫能開發為例也可以說明轉變輸運方式的重要性。氫能是未來能源，但其常溫常壓下呈氣態，儲存和運輸過程不僅效率低、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險很大。人們試圖開發儲氫合金解決這一問題，這屬于能源化學中能源材料開發范疇，但迄今儲氫合金的研究和應用還不成熟[14]。將氫氣與二氧化碳、一氧化碳、氮氣等反應，生成甲酸、甲醇、氨等儲氫介質，在需要氫氣時催化這些儲氫介質分解釋放氫氣不失為一種便捷、高效、安全的方法，因此，相關研究成為近20年的熱點，構成能源化學的重要研究領域[15-16]。

另外，對太陽能發電、風力發電、潮汐發電等新型發電形式而言，雖然其符合環保、綠色、可持續的要求，但發電的質量不高、不穩定，電的生產和使用匹配困難，還會給電網的安全平穩運行帶來潛在危險[17]。因此，對電能的儲存和調節就變得非常重要。將能源轉化為易于儲存和運輸的形式以實現對能源利用的有效調節是能源有效利用的關鍵之一。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，而化學儲能的方式則形式多樣，研究和應用的前景廣大，這恰恰是能源化學研究的最重要領域。其中，“化學能1→化學能2”是指采用化學方法將能源從一種形式轉化為另一種便于儲存運輸且安全便捷的形式的過程。電化學儲能是目前技術成熟、應用廣泛的技術，在能源化學研究中具有特殊的重要性[18-19]。無論是化學還是電化學、光化學的儲能和轉化過程，為了實現高效轉化，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、能源相關化學專業新工科改造建議

通過上面的討論可以發現，石油化工的重點在于生產化工原料而石油煉制屬于物理過程，不宜作為能源相關化學專業教學的重點。將現有能源轉化為高效儲能介質，如通過轉化將石油、煤炭、天然氣變為氫氣、乙醇、甲醇等才屬于能源化學范疇;化石能源的綠色應用，如煤的脫硫、脫硝以及高效燃燒、燃燒產物的處理等，也應納入能源化學的教學范疇;而新型能源材料、能源載體、新型儲能裝置的開發和高效制備、現有能源的高效轉化和有效利用則是能源化學的最重要內容。

因此，能源相關化學專業新工科改造，在教學上應該使學生對能源的開發、生產、轉換、存儲、傳輸、分配及綜合利用進行全面的了解，重點應介紹以下幾個方面。

1.能源化學理論基礎

（1）能源化學基礎

熱化學，燃料性能及其評價，熱功轉化方式及轉化效率，電化學基礎，電化學能量轉化效率，光化學基礎，光化學量子效率和能量效率，速率與速率方程，速率的測量，反應速率影響因素，反應機理，催化劑性能及其評價。

（2）能源催化

催化化學基礎：重要能源催化反應，催化研究方法。

電催化基礎：多孔電極，氣體擴散電極，電催化研究方法，電化學反應裝置，重要電催化反應。

光催化基礎：光催化劑，光催化研究方法，重要光催化轉化反應。

（3）能源材料基礎

能源材料的制備、結構與性能。

2.重要能源轉化過程

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

原油的開采與轉化：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。

甲烷的轉化：天然氣水合物開發，甲烷轉化制甲醇，甲烷燃料電池。

合成氣及其轉化：合成氣的制備，合成氣制甲醇和碳氫化合物。

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

二氧化碳轉化：二氧化碳的化學轉化，（光）電化學轉化，光化學轉化。

甲醇轉化：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。

乙醇轉化：乙醇的制備，乙醇汽油，直接/間接乙醇電池。

甲酸轉化：甲酸的制備，甲酸分解制氫，直接/間接甲酸燃料電池。

生物質轉化：常見生物質，淀粉和纖維素的轉化，植物油脂轉化，生物柴油，生物質儲氫和制氫。

其他新型轉化過程。

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，重要無機非金屬儲能材料及其制備，重要有機能源材料及其制備。

輔助材料：電解質，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.電化學儲能裝置（包括電池及其制造工藝，電池生產設備）

電池：一次電池，二次電池，金屬空氣電池，燃料電池，液流電池。

電化學電容器。

電解池：電解裝置設計與制造。

5.光能利用

光熱轉換，光伏發電，光電化學，化學發光。

區別于現有能源相關化學專業，上述內容更多地強調了工程與工藝的內容。在人才培養過程中，除了要求在形成整體性、系統性的科學思維、工程思維和管理思維之外，還要強化實驗和實習教學，加大校企協同育人，強化學生的研究能力、方案設計能力、方案的評價判斷能力與生產過程管理能力的培養，使學生真正體現理工復合或者理科向工程延伸的新工科特點，能夠成為引領能源技術和能源產業發展的創新性復合人才。

三、小結

本文對各類能源的開發、轉化和利用的過程進行了分析，對能源的形式、能源的轉化和能源的利用進行了歸類整理，明確了能源研究中化學的地位和作用，進一步明確了能源化學專業和應用化學專業能源方向的新工科改造方向，并給出了能源化學相關教學內容的建議。

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[責任編輯：余大品]