工程热化学：破解缺“热”少“化”

从事能源资源热转化研究的沈阳化工大学校长许光文早在十几年前就发现，研究生时常犯愁没有对口的专业课可上。

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他调研发现，化学工程专业往往缺乏热化学反应的相关课程，学生只能去其他系选修；而在能学到“热”知识的能源动力专业中，又常常缺乏化学相关课程。

“化工学科缺‘热’、能源学科少‘化’是普遍现象，不能满足学科发展和人才培养的需求。”许光文在接受《中国科学报》记者采访时指出。

在近日举行的香山科学会议“工程热化学：学科交叉与科学前沿”学术讨论会上，与会专家建议，按照“工程热化学”这一交叉学科方向推进科研、培养人才，将具有更宽广的适应性。

打破学科壁垒和惯性

同样在学生培养中感受到课程设置不足的，还有中国工程院院士、清华大学热能工程系教授岳光溪。根据他的经验，想要研究循环流化床和洁净煤燃烧技术，热能工程系的学生也得具备一定的化学素养。

“我们在实践中体会到，随着时代发展和技术进步，工程热物理学科已经覆盖不住我们的研究对象。”岳光溪说。

中国科学院院士、中国科学院工程热物理研究所研究员金红光亦表示，“双碳”战略目标的提出对传统工程热物理学科提出新挑战——在传统能源动力系统中，更多关注燃料的化学能转化为热能之后的高效传递与转换，而未关注燃烧过程，但这正是作功能力损失最大以及二氧化碳释放的源头。

相比于由光、电诱发的化学反应，热诱发和热驱动的化学反应统称为热化学反应，大多以高温过程为标志，广泛应用于能源、化工、冶金、材料、国防等工业领域。只不过，在不同领域中，热化学反应有不同的类别：热分解、热裂解、气化、燃烧、热氧化、热还原……，反应属性不同，却具有共性。

许光文本科毕业于清华大学化学工程系，后进入中国科学院化工冶金研究所（现中国科学院过程工程研究所）系统学习流态化科学和技术，学科交叉的背景让他开始思考：要解决热化学反应科学及其工程化挑战，是否应该将散落在各学科中的共性需求和问题集中起来，创立交叉融合的新兴研究领域？

在一次学术会议上，许光文抛出这一思考，引起与会专家学者的热烈讨论，并首次提出了“工程热化学”这一学科概念。

“现有相关各学科之间存在壁垒和惯性。”许光文认为，工程热化学融合“热科学”、“反应化学”和“工程科学”的科学要素，有望打破知识壁垒，研究共性规律，提高创新效率，拓展科学前沿，甚至产生变革性创新。

例如，我国在高温热电、超高温耐火、特种合金等领域存在不少“卡脖子”问题，而高端工程材料的热化学合成就涉及到诸多工程热化学、工程热物理的问题，学科交叉融合有望破解这一难题。

在本次香山科学会议上，与会专家认为，工程热化学这一新型交叉学科能服务的重大应用包括碳资源转化与利用、矿产资源加工与冶炼、高温工程及功能材料创制与制备、循环经济与低碳技术等。

南京理工大学化工学院研究员刘大斌表示：“工程热化学从新的角度对现有知识体系进行梳理，有利于相关行业的创新发展。”

迎来低碳新机遇

2022年5月，《自然》杂志封面文章选择了美国马里兰大学教授胡良兵课题组的一项成果。他们开发了一种可编程的快速升降温反应模式，应用到甲烷裂解反应中，在未加入任何催化剂的情况下，将甲烷转化率从传统方法的35%提高到75%，并且降低能耗多达80%。

许光文认为，该研究是典型的工程热化学科学前沿，是调控化学反应与热作用和热传递方式的匹配作用形成的创新。

他同时指出，由于低碳能源的生产利用涉及诸多热化学反应，“碳中和”战略将为工程热化学的学科发展提供机遇和挑战。

数据显示，2021年我国二氧化碳排放源中，80%以上源于以热化学反应为基础的工业行业，包括钢铁、有色、火电、供热、建材、废物消纳等，其高效低碳利用存在大量学科热点和难点问题。例如，燃料燃烧反应发生于1000-1700℃，但发电系统的介质最高工作温度长期局限于600℃，高温热能一直未能转化为电能；高温电解制金属铝、镁、锌等过程的能耗高效率低，亟需变革性的替代技术；铁矿石碳还原等热化学反应亟需利用低碳富氢气体替代传统焦炭，以实现低碳化；等等。