以培养“双碳”复合型人才为目标的环境材料课程教学改革探索

李传浩 周真宇

摘  要：在碳达峰碳中和的重大战略部署下，以环境工程专业学科特点为基础，探索新型人才培养方式，是实现碳中和人才提质培养的关键。该文重点阐述以培养高层次“双碳”复合型人才为目标，从树立学生碳达峰碳中和意识出发，对环境材料课程教学进行改革探索，将课堂教学、演示实验、小组讨论及创新培训引入课堂，以生动形象的教学方式激发学生的学习兴趣，全面提升其学习能力、表达能力、团队合作能力及创新实践能力，发挥专业课的思政作用，达到专业课与思政课协同育人的目的，为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑。

关键词：碳达峰碳中和；环境材料；教学模式；教学改革；人才培养

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

当前，二氧化碳等温室气体排放浓度达到创纪录水平，全球各地极端天气频发，气候变化已经十分明显，成为全人类共同关注的重大发展挑战之一。为了积极应对气候变化这一发展难题，全球已然开始行动起来，中国也不例外。在2020年召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席向全世界郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”他强调，要把“双碳”工作纳入生态文明建设整体布局和经济社会发展全局，坚持降碳、减污、扩绿、增长协同推进，加快制定出台相关规划、实施方案和保障措施，组织实施好“碳达峰十大行动”，加强政策衔接[1]。我国承诺用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和，为了支撑这个目标，加快碳达峰碳中和“1+N”政策体系的构建，形成从中央到地方、从总体到各行各业的政策架构迫在眉睫[2]。“双碳”工作的落实支撑和保障了人与自然和谐共生的可持续发展战略，而科技是保障“双碳”和经济社会发展和谐并进的关键。由碳达峰碳中和引领的科技革命将催生一系列新的科学结论、方法以及技术创新成果，引起经济社会的重大变革。但目前的现状是缺乏高层次“双碳”复合型人才。因此，为深入贯彻落实党中央、国务院关于“双碳”的重大战略部署，教育部制定了《高等学校碳中和科技创新行动计划》。其中明确提到了“碳中和人才培养提质行动”，引导各高校发挥基础研究和科技创新主力军作用，大力培养青年科技人才，为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑[3]。

“双碳”问题的解决是一场系统性变革，涉及到政治、经济、科技、文化和哲学等多方面，需要站在全局的角度进行考虑和规划，综合考虑减排和增汇两种途径。减排即源头控制，使用清洁能源代替化石燃料，从源头减少污染物的产生，这贯穿于经济社会发展全过程和各方面；增汇即末端处理，开发新型高效碳汇、碳转化技术，消减碳排放量，实现碳达峰碳中和[4]。由于“双碳”问题本质上是环境污染问题，因此，培养高层次碳达峰碳中和复合型人才对于环境工程专业来说迫在眉睫。

环境、能源与经济三者之间的共赢，单靠其中任一方面的调节都难以实现[5]。因此，基于全球可持续发展理念的引导，环境材料的概念应运而生。环境材料是一门横跨材料科学、环境科学、生态科学、化学工程及生物等多学科的新兴交叉科目，不仅有助于保护和改善生态环境，而且还可以提高资源和能源的利用效率，實现经济社会的可持续发展，是新材料发展以及实现碳达峰碳中和目标的重要方面之一[6]。因此，为了深入贯彻国家碳达峰碳中和的重要发展战略，培养优质的“双碳”复合型人才，我们为本科生开设了环境材料专业选修课。该课程的特点是涉及知识面广、理论分析复杂、实操性强且与社会经济发展关系密切[7]。为了使学生更好地掌握，将围绕低碳/零碳能源与技术、CO2捕集封存技术以及CO2优化利用技术等进行创新研究，开展碳减排、碳零排、碳负排新技术理论及实践教学，采用课堂教学、演示实验、小组讨论和创新培训等方式实施教学改革探索，使该课程成为学生培养科技创新和实践精神以及碳达峰碳中和意识的有效载体。

一  环境材料课程与“双碳”的关联性

目前，已有部分高校开设环境材料课程。在这些课程中，主要是向学生介绍各种常用材料的环境协调性以及再生循环利用技术[8]，使其掌握环境材料的概念、理论框架以及分类等；熟悉环境材料常用的制备、表征方法；熟悉环境材料的清洁生产以及回收利用工艺；掌握常用的环境净化、修复以及替代材料[9]等基本内容，培养学生合理利用环境材料减少环境污染的能力和保护生态环境的意识[10]。

“双碳”问题的解决除了要求建筑、交通、能源和工业等各领域最大程度地减排以外，同时也离不开CO2捕集/封存技术（CCS）和CO2捕集/利用/封存技术（CCUS）的应用。CCS是捕集分离各排放源产生的CO2，将其富集、压缩后运送到指定地点进行封存的技术。在此基础上发展起来的CCUS是将捕集的CO2提纯，继而在新的生产过程再利用，实现CO2资源化利用，增加经济收益的技术。在CCS技术方面，为了解决工业上基于胺溶液的化学吸收法存在的各种问题，采用多孔材料吸附分离CO2逐渐受到人们关注。目前常用的多孔材料包括多孔炭材料、分子筛、树脂等，但由于其吸附量和选择性较差，金属有机框架材料（MOFs）逐渐引起研究者的关注。近年来，这种新型环境材料因其形态规整、种类丰富以及可调控性强被广泛应用于CO2的吸附分离[5]。例如，2022年3月，Tapiador等[11]首次合成了一种新型MOF材料Zn-URJC-8并应用于CO2的捕集。实验证明，在25 ℃下该催化剂对CO2的吸附量可达2 827 cm3/g，高于其他已知用于吸附CO2的MOFs。CCUS技术方面，目前学界关注的重点在于新型CO2电/光催化还原材料的设计和开发[5]，以实现将捕集和封存的CO2转化为高值化学品的目的。广西大学Liu等[12]通过简单的生长煅烧法制备了硼、氮共掺杂碳上的单原子铁电催化剂（Fe-SA/BNC），该催化剂的CRR活性明显增强。以Fe-SA/BNC为阴极催化剂的Zn-CO2电池的峰值功率密度也高于之前的相关报道；电子科技大学向全军团队[13]开发出新型光催化剂PtCu-crCN，利用模拟太阳光照射3.5 h后，该体系CO产量达到了41.1 μmol/g，CH4产量也能达到9.8 μmol/g。

因此，基于目前已开设的环境材料课程重“减污”轻“降碳”，不符合国家关于加强碳达峰碳中和人才提质培养要求的问题，因此，环境材料课程的开展旨在培养学生合理利用环境材料的能力和“减污降碳”两手抓的意识，推動环境材料领域的进一步发展，削减碳排放总量，实现碳达峰碳中和，促进人类社会可持续发展[9]。

二  环境材料课程中的“双碳”内容

为了响应国家碳达峰碳中和的政策，本课程除了介绍常规的环境友好材料以外，还新增了“降碳”材料的内容。目前，常用的“降碳”材料主要有新能源材料、低碳材料、过滤材料、吸收材料、吸附材料、光催化材料和电催化材料等。

（一）  新能源材料

新能源材料具有清洁环保的特点，使用新能源材料代替常规材料可以实现从源头控制碳排放的目的。常见的新能源材料主要有太阳能、氢能材料等。太阳能因其清洁、安全、储量无限是发展最快的可再生清洁能源。当前，对太阳能材料的应用主要集中在光热、发电以及光化利用方面。其中，利用太阳能光伏材料进行发电是我国目前研究的重点之一。其原理是利用光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。常用的太阳能光伏材料有晶硅材料、薄膜材料、聚合物薄膜电池、染料敏化材料和低维纳米材料等[14]。氢能作为清洁能源，因其灵活高效和应用广泛被视为减少二氧化碳排放的重要手段，是未来最具发展潜力的二次能源[15]。我国的氢能技术正在逐步发展，主要通过化石能源热解/重整、工业副产气提纯及电解水制氢，已成为世界上最大的制氢国。目前，氢能主要被应用于炼油、冶金、化工、发电、供热和交通运输等领域。例如，高能量转化率且零排放的氢燃料电池引导着未来电动汽车电源向更高效、更清洁的方向发展，有利于实现消减碳排放量的目标。

（二）  低碳材料

低碳材料是指在不改变材料使用功能的前提下，降低不可再生资源的用量，且在制造过程中降低能耗与污染；使用过程中不产生有害物质；废弃后可回收利用的新型材料。低碳材料具有绿色环保、可再生性、可降解性和可回收性等特点，被广泛应用于各个领域[16]。其开发与设计策略主要包括：从原子和分子角度进行低碳材料设计、高效的材料加工技术、采购本地可再生材料、使用可循环材料、设计寿命长且不产生污染物的材料和提高能源效率等[17]。例如，2018年，Major等[18]使用硝酸铁和硝酸钴对芒草生物炭进行化学处理使其直接转化为石墨而不形成无定形碳中间体。结果表明，生物质的热化学转化可以在原子尺度上操控，从而在不生成中间体的情况下创造高价值的材料，对生物地球化学循环友好。Christensen等[19]开发出一种新型分子工程塑料，无需化学添加剂即可拆卸重组。该塑料由各种三酮类化合物以及芳香胺或脂肪族胺聚合而成，副产物仅为水，在保证性能和质量的情况下可以重复回收使用。这种创新性研究为设计环境友好材料提供了新方向。

（三）  过滤材料

过滤是利用压差，使悬浮液中的液体（或气体）通过可渗性介质（过滤介质），固体颗粒被截留，实现固液（或气固）分离的工艺。过滤工艺在应用于捕集CO2时主要采用的是膜分离法。膜分离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、醋酸纤维膜和聚酰亚胺膜等）对不同气体渗透率的差异来选择性分离气体的方法。膜分离法应用的前提是存在压差，即当膜两边存在压差时，会优先通过渗透率较高的气体组分，形成渗透气流，而渗透率较低的气体组分大部分在膜进气侧聚集，而后将其分别引出，达到分离的目的。

（四）  吸收材料

吸收材料的吸收原理主要有两种类型：物理吸收和化学吸收。物理吸收是指在加压条件下，利用水或甲醇等有机溶剂作为吸收剂，对CO2进行吸收来脱除酸气成分的方法。由于物理吸收法所需工艺较为复杂、中高压设备成本以及低温甲醇洗工艺制冷成本高、碳酸丙烯酯有腐蚀性等缺点，使得该方法在发达国家逐渐被化学吸收法替代[20]。化学吸收法是利用弱碱性化学物质（如醇胺、碳酸盐等的水溶液）与呈酸性的二氧化碳发生化学反应，吸收捕集二氧化碳，然后改变其温度、压力等外部条件，使反应逆向进行，实现二氧化碳的解吸与吸收剂的再生。常用的化学吸收剂具有选择性好、不易挥发、无腐蚀、黏度低、毒性小和不易燃等特点。在化学吸收剂开发方面，混合胺吸收剂已经能够将捕集能耗从4 GJ/t降至2.8～3.3 GJ/t[20]。刘珍珍等[21]对混合胺吸收剂（MAH）进行试验与模拟研究，发现基于40%乙醇胺（MEA）吸收剂的新型CO2吸收工艺捕集率为90%时，再生能耗为2.61 GJ/t，相比于传统工艺（4.0 GJ/t）降低了34.75%。为进一步降低再生能耗，国内外研究机构开发出第三代少水吸收剂（如相变有机胺、功能化离子液体和非水基胺等），旨在将再生能耗理论值降至2.5 GJ/t以下[20]。

（五）  吸附材料

吸附法主要是利用固态吸附剂在低温（或高压）条件下对原料气中的二氧化碳进行选择性吸附来分离回收二氧化碳，而后通过升温（或降压）将二氧化碳解吸出来，实现吸附剂的循环再生。常用的吸附剂有活性炭、沸石、分子筛、活性氧化铝和碳基吸附剂等。例如，张明星等[22]开发的新型吸附剂NTUniv-53在室温下对CO2具有良好的吸附选择性（1 kPa的情况下，273、298 K的CO2吸附能力分别为71.6、49.0 cm3·g-1，而对CH4的吸附能力仅为18.6、10.7 cm3·g-1）且对温度变化不敏感；2019年3月，Kong等[23]利用NaNH2活化活性炭得到氨基修饰的活性炭材料（AOMC），与原始的活性炭材料（OMC）相比，该材料的孔结构、孔体积以及比表面积都有了明显的提升，使得AOMC在捕集CO2方面表现出优异的性能和较好的循环利用性，为选择性去除废气中的CO2提供理论支撑。

（六）  光催化材料

光催化还原二氧化碳是通过半导体材料在清洁能源——太阳能的照射下将二氧化碳还原为烃或醇类等化学燃料，高效、清洁地实现二氧化碳资源化以及碳循环的重要手段之一[24]。其原理是：利用半导体材料吸收光产生电子-空穴对，诱发氧化、还原反应，将光能转化为化学能，从而促进化合物分解或合成的过程。即当入射光的能量大于或等于半导体的带隙时，半导体价带（VB）上的电子会被激发跃迁至导带（CB），而在价带上留下空穴，形成电子空穴对，并迁移至半导体表面。光生电子具有很强的还原性，可以参与还原反应将二氧化碳还原为CO和碳氢化合物，空穴则参与氧化反应释放氧气。实现CO2高效率轉化为高值化学品，需要半导体材料具备有效的光吸收性、高效的光生电子-空穴对分离与迁移效率以及足够多的活性位点[24]。因此，在未来继续构建独特的光催化材料是提高光催化二氧化碳转化目标产物活性及选择性的关键[25]，也是实现碳达峰碳中和的重要途径。例如，Zhou等[26]通过在枝状TiO2/C纳米纤维上生长叶状的MOF（ZIF-L），制备出性能良好的三元半导体光催化剂TiO2/C@MOF对CO2进行选择性还原，揭示了协同效应重要作用。实验结果表明，在不添加牺牲剂的情况下，CO生成率可以达到28.6 μmol·h-1·g-1，且选择性高达99%。这些优异的性能主要归因于催化剂丰富的活性位点和碳吸收能力以及ZIF-L和TiO2间强电子耦合和合适的能带匹配协同抑制电子-空穴对的复合。该项工作为未来构建良好的复合光催化材料开辟了新方向。

（七）  电催化材料

电催化还原CO2的主要原理是在施加电位的作用下，CO2在电池阴极上的电子生成CO和碳氢化合物，从而实现二氧化碳的还原。Zhu等[27]通过电沉积原位合成了空心铜金属有机框架（Cu-MOF），其中制备Cu-MOF只需5 min。实验证明，该电催化剂具有丰富的活性位点和出色的CO2还原能力，体系电流密度可达102.1 mA/cm2，选择性高达98.2%。Hod等[28]使用电泳沉积技术，将Fe-卟啉分子催化剂（Fe-TPP）固定在Fe-MOF-525上，此时的Fe-TPP既是电催化剂，又起到了连通电极和外层催化活性位点的作用。该方法获得的电催化剂有效电化学活性位点提升至1015/cm2，高于已报道的最大分子催化剂负载浓度近1个数量级。但由于电催化还原二氧化碳的反应机制较为复杂，使得其具有成本高、效率低、选择性低和材料易失活等缺点。因此，研究一类低成本、高性能的电催化材料是电催化还原CO2未来发展的重点[25]。

三  环境材料的教学模式改革和探索

环境材料课程涉及知识面广、理论性和实操性强[29]。在过去的课堂中，主要偏重于基础理论学习，缺乏对其实际应用的深入了解，导致学生在课堂上无法较好地接受并消化抽象且大信息量的内容。因此，为了让学生在课堂教学时间内系统、科学地掌握环境材料的相关知识，并在实际应用中发挥作用，本课程进行了大量的教学改革与探索[10]。

（一）  课堂教学

在环境工程专业开设环境材料课程不仅可以使学生获得系统的环境材料相关知识，还能让学生树立正确的环境协调发展观念[30]，把环境保护意识和可持续发展思想引入课堂，为学生未来参与相关研究工作打下坚实的思想、理论与实践基础[8]。本课程将围绕低碳/零碳能源与技术、CO2捕集封存技术以及CO2优化利用技术等进行创新研究，开展碳减排、零排、负排等新技术的理论及实践教学。目前，环境材料领域的发展日新月异，这就要求教师及时收集国内外有关环境材料最新的一些研究成果，在课堂上为学生进行补充、扩展。除此之外，也可以向学生推荐一些代表性期刊、文献等，便于学生课后主动了解该领域发展的最新动向，拓宽其知识面。

此外，为了响应国家目前提出的碳达峰碳中和重要发展战略以及人才培养提质行动，在介绍环境材料的相關知识和发展现状的同时，也应该让学生了解到我国在开发应用环境材料应对“双碳”问题方面所做的努力。例如，针对新能源材料的开发，政府启动重大研发项目开展技术研究，并部署了一大批可再生能源发电、分布式能源、储能等类型的示范工程；针对化工材料的开发，在低能耗、低碳排放的要求下，压缩落后产能，鼓励新型工艺，使用环保和低碳新材料取代高排放、高能耗旧材料；针对建筑材料的开发，要求建筑行业降低能耗和排放，提升建筑材料绿色化水平[31]。通过这些内容，让学生意识到运用环境材料解决“双碳”问题的必要性与急迫性，了解将“双碳”纳入社会经济发展和生态文明建设整体布局，是我国推动全球构建人类命运共同体、实现可持续发展的重大战略决策，也是着力解决环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择。同时，也能让学生坚定对中国特色社会主义制度优势的自信、对中国特色社会主义先进性的自信，坚信中国特色社会主义道路是实现中华民族伟大复兴的必由之路，发挥了专业课的思政作用，达到了专业课与思政课程协同育人的目的[29]。

（二）  演示实验

在本课程的课堂教学环节，学生对环境材料的概念、原理、工艺应用方法等有了一定的了解，但涉及实操时仍然存在模糊不清的情况。因此，为了让学生更好地将理论知识联系到实际应用，应适当将课堂教学引入实验室，由教师进行演示实验，强化学生对环境材料相关知识的系统认知和理解[10]。例如，设计利用光催化材料降解水中污染物的演示实验，可以形象地向学生展示新型环境材料在污染物去除方面的应用。授课教师可以根据后续该课程的特点，加深对光催化原理、光催化材料的知识扩展，介绍光催化材料的表面化学组成、内部孔道结构、制备方法、性能检测以及实际应用等。通过以上光催化降解污染物的实验，有利于学生对该教学内容建立直观且深刻的知识构架，达到举一反三、触类旁通的效果。

（三）  小组讨论

为了发挥学生学习的自主性，加深对课堂知识的理解与掌握，本课程选取部分适合讨论的题目让学生进行讨论分析。将学生组成小组进行讨论学习，教师适时给予引导、提示与总结，不仅可以提高课堂效率，还能培养学生的思维能力、自学能力、表达能力以及团队合作能力[32]。例如，在进行“CO2吸附材料”这一部分的教学时，设置讨论题目“如何开发新型高效CO2吸附材料”。讨论课前，将学生分成小组，教师将题目布置给学生，引导学生通过查阅资料与文献，搜集相关数据；小组讨论时，各小组基于CO2吸附原理提出科学假设与论证，为开发新型CO2吸附材料提出设想。通过此次小组讨论，学生不仅巩固和加深了对“CO2吸附材料”这一知识点的理解，更将所学应用于实践，激发了学生的学习兴趣和课堂积极性，也提高了学生的自我学习以及综合素质能力[30]。

（四）  创新培训

在环境材料课程的教学过程中与本专业教师的科研课题相结合，开展适当的实践教学可以让学生激发科研兴趣，强化知识理解与实际应用，促进完整知识体系的建立[30]。此外，由于课堂时间有限，授课教师可借助学院以及学校开设的相关创新培训平台，将教学内容与大学生创新创业训练项目等相结合，鼓励学生对感兴趣的部分进行进一步研究，其生在完成项目的过程中获得经验，进一步提升了学生的创新思维、创新能力以及专业素质。

四  结束语

结合目前国家对于培养碳达峰碳中和复合型人才的迫切要求以及环境工程专业的学科特点和人才培养目标，对环境材料课程的教学方式与内容进行了初步的探索与改革。在教学内容上，除了常规的环境材料的基本概念、研究方法、理论框架、类型、制备及表征方法、清洁生产、回收利用工艺以及各种污染治理材料以外，还增添了有关削减碳排放量的新型环境材料的介绍，使得该课程更贴近国家有关“碳中和人才培养提质行动”的要求，充分发挥了高校作为基础研究和科技创新主力军的作用，为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑。在教学方式上，摒弃了传统的“教师讲，学生听”的方式，将课堂内容延伸至实验室、科研项目以及各种创新培训上，调动学生学习的自主性，使课程效率最大化。今后，我们还将继续时刻紧跟国家最新政策，就教学内容进行进一步优化，使得该课程既传授专业知识，又起到思想政治教育作用；继续探索适合环境工程专业发展的教学方式，培养具有创新能力和实践能力的面向碳达峰碳中和的复合型人才。

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基金项目：2022年中山大学本科教学质量工程项目“《环境材料》线上线下混合式课程建设”（无编号）

第一作者简介：李传浩（1983-），男，汉族，安徽濉溪人，博士，教授，院长助理。研究方向为环境材料。