以培養“雙碳”復合型人才為目標的環境材料課程教學改革探索

李傳浩 周真宇

摘? 要：在碳達峰碳中和的重大戰略部署下，以環境工程專業學科特點為基礎，探索新型人才培養方式，是實現碳中和人才提質培養的關鍵。該文重點闡述以培養高層次“雙碳”復合型人才為目標，從樹立學生碳達峰碳中和意識出發，對環境材料課程教學進行改革探索，將課堂教學、演示實驗、小組討論及創新培訓引入課堂，以生動形象的教學方式激發學生的學習興趣，全面提升其學習能力、表達能力、團隊合作能力及創新實踐能力，發揮專業課的思政作用，達到專業課與思政課協同育人的目的，為實現“雙碳”目標提供可持續的人才保障和支撐。

關鍵詞：碳達峰碳中和；環境材料；教學模式；教學改革；人才培養

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0159-06

Abstract： Under the major strategic blueprint of carbon peak and neutrality （double carbon strategy）， it is key to perform some educational reforms in the environmental engineering major to culture more professional talents to realize the "dual carbon goals". In the course of Environmental Materials， we developed some reform solutions to improve the "dual carbon"--related ability of the students. By integrating the conventional class teaching with the demonstrative experiments， group discussion and research training， the new teaching mode can effectively help students build the study interests and establish active learning approaches to comprehensively improve their study， communication， teamwork and creative capabilities. Also， we introduced some ideological and political theories in the field of ecological civilization into the course to strengthen the students' patriotic spirits. Eventually， it provides some useful experiences to support for the realization of the "dual carbon" goal.

Keywords： carbon peak and carbon neutrality; Environment Materials; teaching modle; educational reform; talent training

當前，二氧化碳等溫室氣體排放濃度達到創紀錄水平，全球各地極端天氣頻發，氣候變化已經十分明顯，成為全人類共同關注的重大發展挑戰之一。為了積極應對氣候變化這一發展難題，全球已然開始行動起來，中國也不例外。在2020年召開的第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，習近平主席向全世界鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和?！彼麖娬{，要把“雙碳”工作納入生態文明建設整體布局和經濟社會發展全局，堅持降碳、減污、擴綠、增長協同推進，加快制定出臺相關規劃、實施方案和保障措施，組織實施好“碳達峰十大行動”，加強政策銜接[1]。我國承諾用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和，為了支撐這個目標，加快碳達峰碳中和“1+N”政策體系的構建，形成從中央到地方、從總體到各行各業的政策架構迫在眉睫[2]?！半p碳”工作的落實支撐和保障了人與自然和諧共生的可持續發展戰略，而科技是保障“雙碳”和經濟社會發展和諧并進的關鍵。由碳達峰碳中和引領的科技革命將催生一系列新的科學結論、方法以及技術創新成果，引起經濟社會的重大變革。但目前的現狀是缺乏高層次“雙碳”復合型人才。因此，為深入貫徹落實黨中央、國務院關于“雙碳”的重大戰略部署，教育部制定了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》。其中明確提到了“碳中和人才培養提質行動”，引導各高校發揮基礎研究和科技創新主力軍作用，大力培養青年科技人才，為實現“雙碳”目標提供可持續的人才保障和支撐[3]。

“雙碳”問題的解決是一場系統性變革，涉及到政治、經濟、科技、文化和哲學等多方面，需要站在全局的角度進行考慮和規劃，綜合考慮減排和增匯兩種途徑。減排即源頭控制，使用清潔能源代替化石燃料，從源頭減少污染物的產生，這貫穿于經濟社會發展全過程和各方面；增匯即末端處理，開發新型高效碳匯、碳轉化技術，消減碳排放量，實現碳達峰碳中和[4]。由于“雙碳”問題本質上是環境污染問題，因此，培養高層次碳達峰碳中和復合型人才對于環境工程專業來說迫在眉睫。

環境、能源與經濟三者之間的共贏，單靠其中任一方面的調節都難以實現[5]。因此，基于全球可持續發展理念的引導，環境材料的概念應運而生。環境材料是一門橫跨材料科學、環境科學、生態科學、化學工程及生物等多學科的新興交叉科目，不僅有助于保護和改善生態環境，而且還可以提高資源和能源的利用效率，實現經濟社會的可持續發展，是新材料發展以及實現碳達峰碳中和目標的重要方面之一[6]。因此，為了深入貫徹國家碳達峰碳中和的重要發展戰略，培養優質的“雙碳”復合型人才，我們為本科生開設了環境材料專業選修課。該課程的特點是涉及知識面廣、理論分析復雜、實操性強且與社會經濟發展關系密切[7]。為了使學生更好地掌握，將圍繞低碳/零碳能源與技術、CO2捕集封存技術以及CO2優化利用技術等進行創新研究，開展碳減排、碳零排、碳負排新技術理論及實踐教學，采用課堂教學、演示實驗、小組討論和創新培訓等方式實施教學改革探索，使該課程成為學生培養科技創新和實踐精神以及碳達峰碳中和意識的有效載體。

一? 環境材料課程與“雙碳”的關聯性

目前，已有部分高校開設環境材料課程。在這些課程中，主要是向學生介紹各種常用材料的環境協調性以及再生循環利用技術[8]，使其掌握環境材料的概念、理論框架以及分類等；熟悉環境材料常用的制備、表征方法；熟悉環境材料的清潔生產以及回收利用工藝；掌握常用的環境凈化、修復以及替代材料[9]等基本內容，培養學生合理利用環境材料減少環境污染的能力和保護生態環境的意識[10]。

“雙碳”問題的解決除了要求建筑、交通、能源和工業等各領域最大程度地減排以外，同時也離不開CO2捕集/封存技術（CCS）和CO2捕集/利用/封存技術（CCUS）的應用。CCS是捕集分離各排放源產生的CO2，將其富集、壓縮后運送到指定地點進行封存的技術。在此基礎上發展起來的CCUS是將捕集的CO2提純，繼而在新的生產過程再利用，實現CO2資源化利用，增加經濟收益的技術。在CCS技術方面，為了解決工業上基于胺溶液的化學吸收法存在的各種問題，采用多孔材料吸附分離CO2逐漸受到人們關注。目前常用的多孔材料包括多孔炭材料、分子篩、樹脂等，但由于其吸附量和選擇性較差，金屬有機框架材料（MOFs）逐漸引起研究者的關注。近年來，這種新型環境材料因其形態規整、種類豐富以及可調控性強被廣泛應用于CO2的吸附分離[5]。例如，2022年3月，Tapiador等[11]首次合成了一種新型MOF材料Zn-URJC-8并應用于CO2的捕集。實驗證明，在25 ℃下該催化劑對CO2的吸附量可達2 827 cm3/g，高于其他已知用于吸附CO2的MOFs。CCUS技術方面，目前學界關注的重點在于新型CO2電/光催化還原材料的設計和開發[5]，以實現將捕集和封存的CO2轉化為高值化學品的目的。廣西大學Liu等[12]通過簡單的生長煅燒法制備了硼、氮共摻雜碳上的單原子鐵電催化劑（Fe-SA/BNC），該催化劑的CRR活性明顯增強。以Fe-SA/BNC為陰極催化劑的Zn-CO2電池的峰值功率密度也高于之前的相關報道；電子科技大學向全軍團隊[13]開發出新型光催化劑PtCu-crCN，利用模擬太陽光照射3.5 h后，該體系CO產量達到了41.1 μmol/g，CH4產量也能達到9.8 μmol/g。

因此，基于目前已開設的環境材料課程重“減污”輕“降碳”，不符合國家關于加強碳達峰碳中和人才提質培養要求的問題，因此，環境材料課程的開展旨在培養學生合理利用環境材料的能力和“減污降碳”兩手抓的意識，推動環境材料領域的進一步發展，削減碳排放總量，實現碳達峰碳中和，促進人類社會可持續發展[9]。

二? 環境材料課程中的“雙碳”內容

為了響應國家碳達峰碳中和的政策，本課程除了介紹常規的環境友好材料以外，還新增了“降碳”材料的內容。目前，常用的“降碳”材料主要有新能源材料、低碳材料、過濾材料、吸收材料、吸附材料、光催化材料和電催化材料等。

（一）? 新能源材料

新能源材料具有清潔環保的特點，使用新能源材料代替常規材料可以實現從源頭控制碳排放的目的。常見的新能源材料主要有太陽能、氫能材料等。太陽能因其清潔、安全、儲量無限是發展最快的可再生清潔能源。當前，對太陽能材料的應用主要集中在光熱、發電以及光化利用方面。其中，利用太陽能光伏材料進行發電是我國目前研究的重點之一。其原理是利用光生伏特效應將太陽輻射直接轉換為電能。常用的太陽能光伏材料有晶硅材料、薄膜材料、聚合物薄膜電池、染料敏化材料和低維納米材料等[14]。氫能作為清潔能源，因其靈活高效和應用廣泛被視為減少二氧化碳排放的重要手段，是未來最具發展潛力的二次能源[15]。我國的氫能技術正在逐步發展，主要通過化石能源熱解/重整、工業副產氣提純及電解水制氫，已成為世界上最大的制氫國。目前，氫能主要被應用于煉油、冶金、化工、發電、供熱和交通運輸等領域。例如，高能量轉化率且零排放的氫燃料電池引導著未來電動汽車電源向更高效、更清潔的方向發展，有利于實現消減碳排放量的目標。

（二）? 低碳材料

低碳材料是指在不改變材料使用功能的前提下，降低不可再生資源的用量，且在制造過程中降低能耗與污染；使用過程中不產生有害物質；廢棄后可回收利用的新型材料。低碳材料具有綠色環保、可再生性、可降解性和可回收性等特點，被廣泛應用于各個領域[16]。其開發與設計策略主要包括：從原子和分子角度進行低碳材料設計、高效的材料加工技術、采購本地可再生材料、使用可循環材料、設計壽命長且不產生污染物的材料和提高能源效率等[17]。例如，2018年，Major等[18]使用硝酸鐵和硝酸鈷對芒草生物炭進行化學處理使其直接轉化為石墨而不形成無定形碳中間體。結果表明，生物質的熱化學轉化可以在原子尺度上操控，從而在不生成中間體的情況下創造高價值的材料，對生物地球化學循環友好。Christensen等[19]開發出一種新型分子工程塑料，無需化學添加劑即可拆卸重組。該塑料由各種三酮類化合物以及芳香胺或脂肪族胺聚合而成，副產物僅為水，在保證性能和質量的情況下可以重復回收使用。這種創新性研究為設計環境友好材料提供了新方向。

（三）? 過濾材料

過濾是利用壓差，使懸浮液中的液體（或氣體）通過可滲性介質（過濾介質），固體顆粒被截留，實現固液（或氣固）分離的工藝。過濾工藝在應用于捕集CO2時主要采用的是膜分離法。膜分離法是利用某些特定材料制成的薄膜（如碳膜、二氧化硅膜、沸石膜、醋酸纖維膜和聚酰亞胺膜等）對不同氣體滲透率的差異來選擇性分離氣體的方法。膜分離法應用的前提是存在壓差，即當膜兩邊存在壓差時，會優先通過滲透率較高的氣體組分，形成滲透氣流，而滲透率較低的氣體組分大部分在膜進氣側聚集，而后將其分別引出，達到分離的目的。

（四）? 吸收材料

吸收材料的吸收原理主要有兩種類型：物理吸收和化學吸收。物理吸收是指在加壓條件下，利用水或甲醇等有機溶劑作為吸收劑，對CO2進行吸收來脫除酸氣成分的方法。由于物理吸收法所需工藝較為復雜、中高壓設備成本以及低溫甲醇洗工藝制冷成本高、碳酸丙烯酯有腐蝕性等缺點，使得該方法在發達國家逐漸被化學吸收法替代[20]?；瘜W吸收法是利用弱堿性化學物質（如醇胺、碳酸鹽等的水溶液）與呈酸性的二氧化碳發生化學反應，吸收捕集二氧化碳，然后改變其溫度、壓力等外部條件，使反應逆向進行，實現二氧化碳的解吸與吸收劑的再生。常用的化學吸收劑具有選擇性好、不易揮發、無腐蝕、黏度低、毒性小和不易燃等特點。在化學吸收劑開發方面，混合胺吸收劑已經能夠將捕集能耗從4 GJ/t降至2.8～3.3 GJ/t[20]。劉珍珍等[21]對混合胺吸收劑（MAH）進行試驗與模擬研究，發現基于40%乙醇胺（MEA）吸收劑的新型CO2吸收工藝捕集率為90%時，再生能耗為2.61 GJ/t，相比于傳統工藝（4.0 GJ/t）降低了34.75%。為進一步降低再生能耗，國內外研究機構開發出第三代少水吸收劑（如相變有機胺、功能化離子液體和非水基胺等），旨在將再生能耗理論值降至2.5 GJ/t以下[20]。

（五）? 吸附材料

吸附法主要是利用固態吸附劑在低溫（或高壓）條件下對原料氣中的二氧化碳進行選擇性吸附來分離回收二氧化碳，而后通過升溫（或降壓）將二氧化碳解吸出來，實現吸附劑的循環再生。常用的吸附劑有活性炭、沸石、分子篩、活性氧化鋁和碳基吸附劑等。例如，張明星等[22]開發的新型吸附劑NTUniv-53在室溫下對CO2具有良好的吸附選擇性（1 kPa的情況下，273、298 K的CO2吸附能力分別為71.6、49.0 cm3·g-1，而對CH4的吸附能力僅為18.6、10.7 cm3·g-1）且對溫度變化不敏感；2019年3月，Kong等[23]利用NaNH2活化活性炭得到氨基修飾的活性炭材料（AOMC），與原始的活性炭材料（OMC）相比，該材料的孔結構、孔體積以及比表面積都有了明顯的提升，使得AOMC在捕集CO2方面表現出優異的性能和較好的循環利用性，為選擇性去除廢氣中的CO2提供理論支撐。

（六）? 光催化材料

光催化還原二氧化碳是通過半導體材料在清潔能源——太陽能的照射下將二氧化碳還原為烴或醇類等化學燃料，高效、清潔地實現二氧化碳資源化以及碳循環的重要手段之一[24]。其原理是：利用半導體材料吸收光產生電子-空穴對，誘發氧化、還原反應，將光能轉化為化學能，從而促進化合物分解或合成的過程。即當入射光的能量大于或等于半導體的帶隙時，半導體價帶（VB）上的電子會被激發躍遷至導帶（CB），而在價帶上留下空穴，形成電子空穴對，并遷移至半導體表面。光生電子具有很強的還原性，可以參與還原反應將二氧化碳還原為CO和碳氫化合物，空穴則參與氧化反應釋放氧氣。實現CO2高效率轉化為高值化學品，需要半導體材料具備有效的光吸收性、高效的光生電子-空穴對分離與遷移效率以及足夠多的活性位點[24]。因此，在未來繼續構建獨特的光催化材料是提高光催化二氧化碳轉化目標產物活性及選擇性的關鍵[25]，也是實現碳達峰碳中和的重要途徑。例如，Zhou等[26]通過在枝狀TiO2/C納米纖維上生長葉狀的MOF（ZIF-L），制備出性能良好的三元半導體光催化劑TiO2/C@MOF對CO2進行選擇性還原，揭示了協同效應重要作用。實驗結果表明，在不添加犧牲劑的情況下，CO生成率可以達到28.6 μmol·h-1·g-1，且選擇性高達99%。這些優異的性能主要歸因于催化劑豐富的活性位點和碳吸收能力以及ZIF-L和TiO2間強電子耦合和合適的能帶匹配協同抑制電子-空穴對的復合。該項工作為未來構建良好的復合光催化材料開辟了新方向。

（七）? 電催化材料

電催化還原CO2的主要原理是在施加電位的作用下，CO2在電池陰極上的電子生成CO和碳氫化合物，從而實現二氧化碳的還原。Zhu等[27]通過電沉積原位合成了空心銅金屬有機框架（Cu-MOF），其中制備Cu-MOF只需5 min。實驗證明，該電催化劑具有豐富的活性位點和出色的CO2還原能力，體系電流密度可達102.1 mA/cm2，選擇性高達98.2%。Hod等[28]使用電泳沉積技術，將Fe-卟啉分子催化劑（Fe-TPP）固定在Fe-MOF-525上，此時的Fe-TPP既是電催化劑，又起到了連通電極和外層催化活性位點的作用。該方法獲得的電催化劑有效電化學活性位點提升至1015/cm2，高于已報道的最大分子催化劑負載濃度近1個數量級。但由于電催化還原二氧化碳的反應機制較為復雜，使得其具有成本高、效率低、選擇性低和材料易失活等缺點。因此，研究一類低成本、高性能的電催化材料是電催化還原CO2未來發展的重點[25]。

三? 環境材料的教學模式改革和探索

環境材料課程涉及知識面廣、理論性和實操性強[29]。在過去的課堂中，主要偏重于基礎理論學習，缺乏對其實際應用的深入了解，導致學生在課堂上無法較好地接受并消化抽象且大信息量的內容。因此，為了讓學生在課堂教學時間內系統、科學地掌握環境材料的相關知識，并在實際應用中發揮作用，本課程進行了大量的教學改革與探索[10]。

（一）? 課堂教學

在環境工程專業開設環境材料課程不僅可以使學生獲得系統的環境材料相關知識，還能讓學生樹立正確的環境協調發展觀念[30]，把環境保護意識和可持續發展思想引入課堂，為學生未來參與相關研究工作打下堅實的思想、理論與實踐基礎[8]。本課程將圍繞低碳/零碳能源與技術、CO2捕集封存技術以及CO2優化利用技術等進行創新研究，開展碳減排、零排、負排等新技術的理論及實踐教學。目前，環境材料領域的發展日新月異，這就要求教師及時收集國內外有關環境材料最新的一些研究成果，在課堂上為學生進行補充、擴展。除此之外，也可以向學生推薦一些代表性期刊、文獻等，便于學生課后主動了解該領域發展的最新動向，拓寬其知識面。

此外，為了響應國家目前提出的碳達峰碳中和重要發展戰略以及人才培養提質行動，在介紹環境材料的相關知識和發展現狀的同時，也應該讓學生了解到我國在開發應用環境材料應對“雙碳”問題方面所做的努力。例如，針對新能源材料的開發，政府啟動重大研發項目開展技術研究，并部署了一大批可再生能源發電、分布式能源、儲能等類型的示范工程；針對化工材料的開發，在低能耗、低碳排放的要求下，壓縮落后產能，鼓勵新型工藝，使用環保和低碳新材料取代高排放、高能耗舊材料；針對建筑材料的開發，要求建筑行業降低能耗和排放，提升建筑材料綠色化水平[31]。通過這些內容，讓學生意識到運用環境材料解決“雙碳”問題的必要性與急迫性，了解將“雙碳”納入社會經濟發展和生態文明建設整體布局，是我國推動全球構建人類命運共同體、實現可持續發展的重大戰略決策，也是著力解決環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇。同時，也能讓學生堅定對中國特色社會主義制度優勢的自信、對中國特色社會主義先進性的自信，堅信中國特色社會主義道路是實現中華民族偉大復興的必由之路，發揮了專業課的思政作用，達到了專業課與思政課程協同育人的目的[29]。

（二）? 演示實驗

在本課程的課堂教學環節，學生對環境材料的概念、原理、工藝應用方法等有了一定的了解，但涉及實操時仍然存在模糊不清的情況。因此，為了讓學生更好地將理論知識聯系到實際應用，應適當將課堂教學引入實驗室，由教師進行演示實驗，強化學生對環境材料相關知識的系統認知和理解[10]。例如，設計利用光催化材料降解水中污染物的演示實驗，可以形象地向學生展示新型環境材料在污染物去除方面的應用。授課教師可以根據后續該課程的特點，加深對光催化原理、光催化材料的知識擴展，介紹光催化材料的表面化學組成、內部孔道結構、制備方法、性能檢測以及實際應用等。通過以上光催化降解污染物的實驗，有利于學生對該教學內容建立直觀且深刻的知識構架，達到舉一反三、觸類旁通的效果。

（三）? 小組討論

為了發揮學生學習的自主性，加深對課堂知識的理解與掌握，本課程選取部分適合討論的題目讓學生進行討論分析。將學生組成小組進行討論學習，教師適時給予引導、提示與總結，不僅可以提高課堂效率，還能培養學生的思維能力、自學能力、表達能力以及團隊合作能力[32]。例如，在進行“CO2吸附材料”這一部分的教學時，設置討論題目“如何開發新型高效CO2吸附材料”。討論課前，將學生分成小組，教師將題目布置給學生，引導學生通過查閱資料與文獻，搜集相關數據；小組討論時，各小組基于CO2吸附原理提出科學假設與論證，為開發新型CO2吸附材料提出設想。通過此次小組討論，學生不僅鞏固和加深了對“CO2吸附材料”這一知識點的理解，更將所學應用于實踐，激發了學生的學習興趣和課堂積極性，也提高了學生的自我學習以及綜合素質能力[30]。

（四）? 創新培訓

在環境材料課程的教學過程中與本專業教師的科研課題相結合，開展適當的實踐教學可以讓學生激發科研興趣，強化知識理解與實際應用，促進完整知識體系的建立[30]。此外，由于課堂時間有限，授課教師可借助學院以及學校開設的相關創新培訓平臺，將教學內容與大學生創新創業訓練項目等相結合，鼓勵學生對感興趣的部分進行進一步研究，其生在完成項目的過程中獲得經驗，進一步提升了學生的創新思維、創新能力以及專業素質。

四? 結束語

結合目前國家對于培養碳達峰碳中和復合型人才的迫切要求以及環境工程專業的學科特點和人才培養目標，對環境材料課程的教學方式與內容進行了初步的探索與改革。在教學內容上，除了常規的環境材料的基本概念、研究方法、理論框架、類型、制備及表征方法、清潔生產、回收利用工藝以及各種污染治理材料以外，還增添了有關削減碳排放量的新型環境材料的介紹，使得該課程更貼近國家有關“碳中和人才培養提質行動”的要求，充分發揮了高校作為基礎研究和科技創新主力軍的作用，為實現“雙碳”目標提供可持續的人才保障和支撐。在教學方式上，摒棄了傳統的“教師講，學生聽”的方式，將課堂內容延伸至實驗室、科研項目以及各種創新培訓上，調動學生學習的自主性，使課程效率最大化。今后，我們還將繼續時刻緊跟國家最新政策，就教學內容進行進一步優化，使得該課程既傳授專業知識，又起到思想政治教育作用；繼續探索適合環境工程專業發展的教學方式，培養具有創新能力和實踐能力的面向碳達峰碳中和的復合型人才。

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基金項目：2022年中山大學本科教學質量工程項目“《環境材料》線上線下混合式課程建設”（無編號）

第一作者簡介：李傳浩（1983-），男，漢族，安徽濉溪人，博士，教授，院長助理。研究方向為環境材料。