能源相关化学专业的“新工科”改造建议

张树永　韩喜江

摘 要：能源是人类生存与发展的关键制约因素。新能源的开发、转化和高效利用必须以化学原理为基础。基于对能源开发利用过程的分析，本文明确了能源化学专业或者应用化学专业的能源方向改革应重点关注的知识领域，并对相关知识结构提出了建议。对按照新工科理念改造能源化学专业或者建设应用化学专业的能源方向具有一定的指导意义。

关键词：新工科;化学专业;能源科学与工程;能源化学;教学内容

能源与环境是决定人类生存与发展的两个关键制约因素。能源科学与技术的发展事关国家經济社会发展的能力和水平，是国家高度关注的战略领域[1-2]。建设和完善能源化学专业和应用化学专业的能源特色方向（以下统称能源相关化学专业），培养一大批具有扎实的化学基础，能够从事高层次能源科学与技术研究的人才，对保障国家安全和发展至关重要。调研发现，当前的能源相关化学专业普遍存在教学内容和人才培养的理科化倾向以及过分关注物理能源的问题，使得专业的化学特色不够突出，学生综合运用化学和能源知识分析和解决能源相关复杂问题的能力和素养不足，难以适应新工科快速发展的需要[3]。为了更好地按照新工科理念对现有的能源相关化学专业进行改造，使其人才培养更加突出化学特色、应用特色和交叉特色，促进能源化学研究的最新成果尽快转化为新技术、新业态、新产业，服务于国家创新发展，我们对能源开发、转化和高效利用等领域所涉及的重要化学原理与过程进行了分析，在此基础上提出了改革能源相关化学专业教学内容的建议。

一、能源科学与技术中的化学

能源科学是研究能源的开发、生产、转换、存储、传输、分配及综合利用的科学[4]。在能源开发和利用的过程中，化学发挥着决定性作用，决定着能源科学发展的速度和水平。在能源开发方面，传统能源如石油、煤炭、天然气不可再生、储量有限，可供开采的储量正日益枯竭。与此同时，这些化石能源的使用，还会带来严重的环境问题[5];新兴能源如页岩油、页岩气、泥炭、可燃冰的开发正方兴未艾，但这些资源也不可再生，无法长期支撑人类的可持续发展;其他一次能源包括水能、核能、太阳能、风能、地热能、生物质能等，很多都属于可再生的清洁能源，其开发与利用正成为人们最为关注的领域[6]。表1给出了重要的能源类型和开发利用的方式。

表1中所列能源（严格说应该是能源载体）基本都属于一次能源，即来自自然界、没有经过加工转换的能源[7]，这些能源往往不能直接利用。人们需要通过多种手段，将一次能源中所蕴含的能量转化为便于利用的形式，即二次能源[8]。二次能源主要包括电能、热能和机械能。将一次能源转化为二次能源的过程即能源的转化与利用过程。能源的高效利用、低排放、低污染转化是能源转化利用所追求的目标[9]，化学原理在能源的转化和利用中使用广泛。能源转化的主要方式列于表2中。

表2显示，从一次能源向二次能源转化通常需要经历多个步骤，而步骤越多、每一步的转化效率越低，则总的能量转化效率就越低。以火电为例，从燃料燃烧到发电需要经过“化学能→热能→机械能→电能”四步，其能源利用率一般只有35%～38%，最高为42%[10]。而使用燃料电池可以直接完成“化学能→电能”的转化，其能源利用率通常在70%以上，远高于火电[11]。因此，能源的高效转化是能源化学研究的重要方向。当然，所谓能源转化是指将能源转化为可以直接利用或者更加便于储存和运输的形式，简单的分离过程（非化学过程如石油炼制）或者转化为非能源材料（如石油化工生产化工原料）不属于能源转化范畴，也就不属于能源化学的研究领域。

能源的分布与利用往往存在巨大的时空差异。如我国的煤炭、石油和天然气等传统能源主要分布在华北、东北和西北区域，而能源消耗最大的区域则是华北、华东和华南，所以能源的储存和运输对能源的有效利用至关重要。为了解决通过公路、铁路和航运运煤成本高、效率低、污染重等问题，人们试图开发将煤液化后通过管道输送的方法[12]，目前最有效的方法是通过建设坑口电站，将煤直接转化为电，再通过高压输变电系统进行输送。此时，如何提高坑口电站煤的燃烧效率，降低SO2和NOx的排放量就成为重点。显然，基于坑口电站集中发电的处理，比原来分散发电的处理更加集中，具有效率高、成本更低的显著优势。另外，以氢能开发为例也可以说明转变输运方式的重要性。氢能是未来能源，但其常温常压下呈气态，储存和运输过程不仅效率低、不方便而且非常危险[13]。因此，人们通常采用压缩、液化甚至固化的方式储存和使用氢气。但这些物理储存方式效率仍然不高且风险很大。人们试图开发储氢合金解决这一问题，这属于能源化学中能源材料开发范畴，但迄今储氢合金的研究和应用还不成熟[14]。将氢气与二氧化碳、一氧化碳、氮气等反应，生成甲酸、甲醇、氨等储氢介质，在需要氢气时催化这些储氢介质分解释放氢气不失为一种便捷、高效、安全的方法，因此，相关研究成为近20年的热点，构成能源化学的重要研究领域[15-16]。

另外，对太阳能发电、风力发电、潮汐发电等新型发电形式而言，虽然其符合环保、绿色、可持续的要求，但发电的质量不高、不稳定，电的生产和使用匹配困难，还会给电网的安全平稳运行带来潜在危险[17]。因此，对电能的储存和调节就变得非常重要。将能源转化为易于储存和运输的形式以实现对能源利用的有效调节是能源有效利用的关键之一。表3给出了能源储存的主要方式。

由表3可见，物理储能的方法相对单一，而化学储能的方式则形式多样，研究和应用的前景广大，这恰恰是能源化学研究的最重要领域。其中，“化学能1→化学能2”是指采用化学方法将能源从一种形式转化为另一种便于储存运输且安全便捷的形式的过程。电化学储能是目前技术成熟、应用广泛的技术，在能源化学研究中具有特殊的重要性[18-19]。无论是化学还是电化学、光化学的储能和转化过程，为了实现高效转化，催化剂（包括电催化剂、光催化剂）的研究都具有举足轻重的地位。

二、能源相关化学专业新工科改造建议

通过上面的讨论可以发现，石油化工的重点在于生产化工原料而石油炼制属于物理过程，不宜作为能源相关化学专业教学的重点。将现有能源转化为高效储能介质，如通过转化将石油、煤炭、天然气变为氢气、乙醇、甲醇等才属于能源化学范畴;化石能源的绿色应用，如煤的脱硫、脱硝以及高效燃烧、燃烧产物的处理等，也应纳入能源化学的教学范畴;而新型能源材料、能源载体、新型储能装置的开发和高效制备、现有能源的高效转化和有效利用则是能源化学的最重要内容。

因此，能源相关化学专业新工科改造，在教学上应该使学生对能源的开发、生产、转换、存储、传输、分配及综合利用进行全面的了解，重点应介绍以下几个方面。

1.能源化学理论基础

（1）能源化學基础

热化学，燃料性能及其评价，热功转化方式及转化效率，电化学基础，电化学能量转化效率，光化学基础，光化学量子效率和能量效率，速率与速率方程，速率的测量，反应速率影响因素，反应机理，催化剂性能及其评价。

（2）能源催化

催化化学基础：重要能源催化反应，催化研究方法。

电催化基础：多孔电极，气体扩散电极，电催化研究方法，电化学反应装置，重要电催化反应。

光催化基础：光催化剂，光催化研究方法，重要光催化转化反应。

（3）能源材料基础

能源材料的制备、结构与性能。

2.重要能源转化过程

煤炭的转化：煤炭的加工处理，煤的液化/气化，水煤气转化，煤的脱硫脱硝，煤炭的高效燃烧技术。

原油的开采与转化：原油的催化裂化，原油的加氢裂化，燃油添加剂，高效燃烧，尾气处理。

甲烷的转化：天然气水合物开发，甲烷转化制甲醇，甲烷燃料电池。

合成气及其转化：合成气的制备，合成气制甲醇和碳氢化合物。

氢气的转化：工业制氢，含氢化合物重整，水的电解，水的光解，储氢介质（储氢合金、甲醇、甲酸）的合成与制备，储氢介质制氢，氢氧燃料电池。

二氧化碳转化：二氧化碳的化学转化，（光）电化学转化，光化学转化。

甲醇转化：甲醇的制备，甲醇重整制氢，甲醇燃料，甲醇制油，直接/间接甲醇燃料电池。

乙醇转化：乙醇的制备，乙醇汽油，直接/间接乙醇电池。

甲酸转化：甲酸的制备，甲酸分解制氢，直接/间接甲酸燃料电池。

生物质转化：常见生物质，淀粉和纤维素的转化，植物油脂转化，生物柴油，生物质储氢和制氢。

其他新型转化过程。

3.能源材料

催化材料：重要催化剂及其制备方法。

储能材料：重要金属储能材料及其加工，重要无机非金属储能材料及其制备，重要有机能源材料及其制备。

辅助材料：电解质，溶剂，隔膜，离子交换

膜，其他辅助材料。

添加剂：燃油添加剂，电极添加剂，电解液添加剂。

4.电化学储能装置（包括电池及其制造工艺，电池生产设备）

电池：一次电池，二次电池，金属空气电池，燃料电池，液流电池。

电化学电容器。

电解池：电解装置设计与制造。

5.光能利用

光热转换，光伏发电，光电化学，化学发光。

区别于现有能源相关化学专业，上述内容更多地强调了工程与工艺的内容。在人才培养过程中，除了要求在形成整体性、系统性的科学思维、工程思维和管理思维之外，还要强化实验和实习教学，加大校企协同育人，强化学生的研究能力、方案设计能力、方案的评价判断能力与生产过程管理能力的培养，使学生真正体现理工复合或者理科向工程延伸的新工科特点，能够成为引领能源技术和能源产业发展的创新性复合人才。

三、小结

本文对各类能源的开发、转化和利用的过程进行了分析，对能源的形式、能源的转化和能源的利用进行了归类整理，明确了能源研究中化学的地位和作用，进一步明确了能源化学专业和应用化学专业能源方向的新工科改造方向，并给出了能源化学相关教学内容的建议。

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[责任编辑：余大品]