工程熱化學：破解缺“熱”少“化”

從事能源資源熱轉化研究的沈陽化工大學校長許光文早在十幾年前就發現，研究生時常犯愁沒有對口的專業課可上。

他調研發現，化學工程專業往往缺乏熱化學反應的相關課程，學生只能去其他系選修；而在能學到“熱”知識的能源動力專業中，又常常缺乏化學相關課程。

“化工學科缺‘熱’、能源學科少‘化’是普遍現象，不能滿足學科發展和人才培養的需求。”許光文在接受《中國科學報》記者采訪時指出。

在近日舉行的香山科學會議“工程熱化學：學科交叉與科學前沿”學術討論會上，與會專家建議，按照“工程熱化學”這一交叉學科方向推進科研、培養人才，將具有更寬廣的適應性。

打破學科壁壘和慣性

同樣在學生培養中感受到課程設置不足的，還有中國工程院院士、清華大學熱能工程系教授岳光溪。根據他的經驗，想要研究循環流化床和潔凈煤燃燒技術，熱能工程系的學生也得具備一定的化學素養。

“我們在實踐中體會到，隨著時代發展和技術進步，工程熱物理學科已經覆蓋不住我們的研究對象。”岳光溪說。

中國科學院院士、中國科學院工程熱物理研究所研究員金紅光亦表示，“雙碳”戰略目標的提出對傳統工程熱物理學科提出新挑戰——在傳統能源動力系統中，更多關注燃料的化學能轉化為熱能之后的高效傳遞與轉換，而未關注燃燒過程，但這正是作功能力損失最大以及二氧化碳釋放的源頭。

相比于由光、電誘發的化學反應，熱誘發和熱驅動的化學反應統稱為熱化學反應，大多以高溫過程為標志，廣泛應用于能源、化工、冶金、材料、國防等工業領域。只不過，在不同領域中，熱化學反應有不同的類別：熱分解、熱裂解、氣化、燃燒、熱氧化、熱還原……，反應屬性不同，卻具有共性。

許光文本科畢業于清華大學化學工程系，后進入中國科學院化工冶金研究所（現中國科學院過程工程研究所）系統學習流態化科學和技術，學科交叉的背景讓他開始思考：要解決熱化學反應科學及其工程化挑戰，是否應該將散落在各學科中的共性需求和問題集中起來，創立交叉融合的新興研究領域？

在一次學術會議上，許光文拋出這一思考，引起與會專家學者的熱烈討論，并首次提出了“工程熱化學”這一學科概念。

“現有相關各學科之間存在壁壘和慣性。”許光文認為，工程熱化學融合“熱科學”、“反應化學”和“工程科學”的科學要素，有望打破知識壁壘，研究共性規律，提高創新效率，拓展科學前沿，甚至產生變革性創新。

例如，我國在高溫熱電、超高溫耐火、特種合金等領域存在不少“卡脖子”問題，而高端工程材料的熱化學合成就涉及到諸多工程熱化學、工程熱物理的問題，學科交叉融合有望破解這一難題。

在本次香山科學會議上，與會專家認為，工程熱化學這一新型交叉學科能服務的重大應用包括碳資源轉化與利用、礦產資源加工與冶煉、高溫工程及功能材料創制與制備、循環經濟與低碳技術等。

南京理工大學化工學院研究員劉大斌表示：“工程熱化學從新的角度對現有知識體系進行梳理，有利于相關行業的創新發展。”

迎來低碳新機遇

2022年5月，《自然》雜志封面文章選擇了美國馬里蘭大學教授胡良兵課題組的一項成果。他們開發了一種可編程的快速升降溫反應模式，應用到甲烷裂解反應中，在未加入任何催化劑的情況下，將甲烷轉化率從傳統方法的35%提高到75%，并且降低能耗多達80%。

許光文認為，該研究是典型的工程熱化學科學前沿，是調控化學反應與熱作用和熱傳遞方式的匹配作用形成的創新。

他同時指出，由于低碳能源的生產利用涉及諸多熱化學反應，“碳中和”戰略將為工程熱化學的學科發展提供機遇和挑戰。

數據顯示，2021年我國二氧化碳排放源中，80%以上源于以熱化學反應為基礎的工業行業，包括鋼鐵、有色、火電、供熱、建材、廢物消納等，其高效低碳利用存在大量學科熱點和難點問題。例如，燃料燃燒反應發生于1000-1700℃，但發電系統的介質最高工作溫度長期局限于600℃，高溫熱能一直未能轉化為電能；高溫電解制金屬鋁、鎂、鋅等過程的能耗高效率低，亟需變革性的替代技術；鐵礦石碳還原等熱化學反應亟需利用低碳富氫氣體替代傳統焦炭，以實現低碳化；等等。

2021年我國二氧化碳排放源占比 沈陽化工大學供圖

2022年10月，許光文等人在《國家科學評論》發表觀點文章，指出通過熱化學反應途徑排放的二氧化碳占據人類活動總碳排放的90％以上，分析潛在的重大應用表明，推動工程熱化學科技創新及變革性替代，將為解決大量熱能消耗和超量二氧化碳排放提供科學方案，潛在可為我國貢獻50億噸規模的碳減排、碳替代、碳循環。

北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室主任郭占成表示，鋼鐵工業正面向從效率優先轉變為兼顧環境友好的重大變革，“無論是效率推動還是環境推動，鋼鐵冶煉技術的進步和發展都離不開工程熱化學基礎理論作為科學依據”。

“熱驅動的化學反應在工業中非常普遍，熱本身沒有什么問題，但是在節能減排的趨勢下，如何更高效低碳地使用熱成為一個嚴峻的問題。”中國科學院院士、華東師范大學化學系教授何鳴元告訴《中國科學報》。

何鳴元指出，煤炭、石油、天然氣等碳基能源資源，其高效燃燒和利用的化學本質，在于碳和氫的平衡和循環。從分子角度來說，就是一系列分子斷鍵與重構，無論是大分子裂解生成小分子，還是小分子構建大分子，都涉及到熱化學轉化。因此，工程熱化學在實現循環經濟和“雙碳”目標中將有重要的甚至不可替代的作用。