從事能源資源熱轉(zhuǎn)化研究的沈陽化工大學(xué)校長許光文早在十幾年前就發(fā)現(xiàn)，研究生時常犯愁沒有對口的專業(yè)課可上。
他調(diào)研發(fā)現(xiàn)，化學(xué)工程專業(yè)往往缺乏熱化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)課程，學(xué)生只能去其他系選修；而在能學(xué)到“熱”知識的能源動力專業(yè)中，又常常缺乏化學(xué)相關(guān)課程。
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“化工學(xué)科缺‘熱’、能源學(xué)科少‘化’是普遍現(xiàn)象，不能滿足學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求。”許光文在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時指出。
在近日舉行的香山科學(xué)會議“工程熱化學(xué)：學(xué)科交叉與科學(xué)前沿”學(xué)術(shù)討論會上，與會專家建議，按照“工程熱化學(xué)”這一交叉學(xué)科方向推進科研、培養(yǎng)人才，將具有更寬廣的適應(yīng)性。
打破學(xué)科壁壘和慣性
同樣在學(xué)生培養(yǎng)中感受到課程設(shè)置不足的，還有中國工程院院士、清華大學(xué)熱能工程系教授岳光溪。根據(jù)他的經(jīng)驗，想要研究循環(huán)流化床和潔凈煤燃燒技術(shù)，熱能工程系的學(xué)生也得具備一定的化學(xué)素養(yǎng)。
“我們在實踐中體會到，隨著時代發(fā)展和技術(shù)進步，工程熱物理學(xué)科已經(jīng)覆蓋不住我們的研究對象。”岳光溪說。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院工程熱物理研究所研究員金紅光亦表示，“雙碳”戰(zhàn)略目標的提出對傳統(tǒng)工程熱物理學(xué)科提出新挑戰(zhàn)——在傳統(tǒng)能源動力系統(tǒng)中，更多關(guān)注燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能之后的高效傳遞與轉(zhuǎn)換，而未關(guān)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(fā)的化學(xué)反應(yīng)，熱誘發(fā)和熱驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)稱為熱化學(xué)反應(yīng)，大多以高溫過程為標志，廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金、材料、國防等工業(yè)領(lǐng)域。只不過，在不同領(lǐng)域中，熱化學(xué)反應(yīng)有不同的類別：熱分解、熱裂解、氣化、燃燒、熱氧化、熱還原……，反應(yīng)屬性不同，卻具有共性。
許光文本科畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系，后進入中國科學(xué)院化工冶金研究所（現(xiàn)中國科學(xué)院過程工程研究所）系統(tǒng)學(xué)習(xí)流態(tài)化科學(xué)和技術(shù)，學(xué)科交叉的背景讓他開始思考：要解決熱化學(xué)反應(yīng)科學(xué)及其工程化挑戰(zhàn)，是否應(yīng)該將散落在各學(xué)科中的共性需求和問題集中起來，創(chuàng)立交叉融合的新興研究領(lǐng)域？
在一次學(xué)術(shù)會議上，許光文拋出這一思考，引起與會專家學(xué)者的熱烈討論，并首次提出了“工程熱化學(xué)”這一學(xué)科概念。
“現(xiàn)有相關(guān)各學(xué)科之間存在壁壘和慣性?！痹S光文認為，工程熱化學(xué)融合“熱科學(xué)”、“反應(yīng)化學(xué)”和“工程科學(xué)”的科學(xué)要素，有望打破知識壁壘，研究共性規(guī)律，提高創(chuàng)新效率，拓展科學(xué)前沿，甚至產(chǎn)生變革性創(chuàng)新。
例如，我國在高溫?zé)犭?、超高溫耐火、特種合金等領(lǐng)域存在不少“卡脖子”問題，而高端工程材料的熱化學(xué)合成就涉及到諸多工程熱化學(xué)、工程熱物理的問題，學(xué)科交叉融合有望破解這一難題。
在本次香山科學(xué)會議上，與會專家認為，工程熱化學(xué)這一新型交叉學(xué)科能服務(wù)的重大應(yīng)用包括碳資源轉(zhuǎn)化與利用、礦產(chǎn)資源加工與冶煉、高溫工程及功能材料創(chuàng)制與制備、循環(huán)經(jīng)濟與低碳技術(shù)等。
南京理工大學(xué)化工學(xué)院研究員劉大斌表示：“工程熱化學(xué)從新的角度對現(xiàn)有知識體系進行梳理，有利于相關(guān)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展?！?/p>
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(xué)教授胡良兵課題組的一項成果。他們開發(fā)了一種可編程的快速升降溫反應(yīng)模式，應(yīng)用到甲烷裂解反應(yīng)中，在未加入任何催化劑的情況下，將甲烷轉(zhuǎn)化率從傳統(tǒng)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(xué)科學(xué)前沿，是調(diào)控化學(xué)反應(yīng)與熱作用和熱傳遞方式的匹配作用形成的創(chuàng)新。
他同時指出，由于低碳能源的生產(chǎn)利用涉及諸多熱化學(xué)反應(yīng)，“碳中和”戰(zhàn)略將為工程熱化學(xué)的學(xué)科發(fā)展提供機遇和挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)顯示，2021年我國二氧化碳排放源中，80%以上源于以熱化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的工業(yè)行業(yè)，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(xué)科熱點和難點問題。例如，燃料燃燒反應(yīng)發(fā)生于1000-1700℃，但發(fā)電系統(tǒng)的介質(zhì)最高工作溫度長期局限于600℃，高溫?zé)崮芤恢蔽茨苻D(zhuǎn)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(shù)；鐵礦石碳還原等熱化學(xué)反應(yīng)亟需利用低碳富氫氣體替代傳統(tǒng)焦炭，以實現(xiàn)低碳化；等等。
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