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能源化学

能源化学

能源化学是在世界能源需求日益突出的背景下正处于初步发展阶段的新兴交叉学科。作为能源学科中最主要的二级学科之一,能源化学是在融合物理化学、材料化学和化学工程等学科知识的基础上提升形成,兼具理学、工学相融合大格局的鲜明特色,是指导能源高效利用和新能源开发的关键学科之一。能源科学很可能跟随材料科学和环境科学形成并且壮大的足迹,成为被学术界、工业界和社会所广泛认可的新兴一级学科,进而被 ESI 收录。能源化学则有望最早搭建起全面系统的知识框架体系,成为能源科学的二级学科分支中的前行者和引航员。本书对能源化学学科的内涵及分类、战略地位、规律及特点等进行了梳理和分析,在明确学科发展目标与学科任务的基础上,提出了对我国能源化学学科发展的初步建议。
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  能源化学是能源科学和化学科学这两门主干学科与材料学、工程学、物理学、生物学、环境学、经济学、管理学等多个学科交叉融合,进而形成的在能源学科下的一门二级学科,它主要利用化学的理论和方法来研究能量获取、储存、转换及传输过程的规律和探索能源新技术的实现途径。不论是在常规能源的综合利用还是新能源的研究开发中,能源化学均担当重任,为人类社会的可持续发展发挥巨大作用。
“未来
10 年中国学科发展战略”丛书的总序中指出,学科作为知识体系结构分类和分化的重要标志,既在知识创造中发挥着基础性作用,也在知识传承中发挥着主体性作用。加强学科建设是一项提升自主创新能力、建设创新型国家的带有根本性的基础工程。在我国学科目录中,能源和能源化学学科仅收录于工程与技术科学门类,自然科学门类中尚未包含。国际基本科学指标数据库(Essential Science IndicatorsESI)学科目录中,至今也未包含能源和能源化学学科门类。这表明国内外能源化学学科的发展均处于起步阶段,我国与世界其他国家基本处在同一起跑线上。开展能源化学学科发展战略研究,抢占能源化学学科发展的战略制高点,构建国际能源化学研究和人才教育培养的高端平台,是新时期能源科学乃至整个科学的重大使命,将为解决能源问题、推动能源产业战略转型提供有效策略、技术支撑和人才保证,为国家制定能源发展战略发挥“科学智库”作用。厦门大学和中国科学院大连化学物理研究所以“高等学校创新能力提升计划”(2011 计划)能源材料化学协同创新中心作为依托,中国学科发展战略·能源化学联合发起并主持了国家自然科学基金委员会-中国科学院学科发展战略研究合作项目“能源化学学科发展战略研究”,旨在梳理能源化学学科发展的历史脉络,探讨能源化学及相关学科发展的一般规律,研究分析学科发展总体态势,并从历史和现实的角度剖析战略
性新兴产业与学科发展的关系,为可能发生的能源领域新科技革命提前做好学科准备,并对我国未来能源化学学科的持续、协调、健康发展提出有针对性的政策建议。
参与本项目内容编写的有厦门大学田中群、郑南峰、王野、张庆红、程俊、杨勇、赵金保、赵英汝、方晓亮、张鹏,中国科学院大连化学物理研究所包信和、张华民、邵志刚、傅强、章福祥、李先锋、张洪章,中国科学院化学研究所万立骏、郭玉国,复旦大学赵东元、张凡、余爱水、夏永姚、王永刚,中国科学技术大学谢毅、熊宇杰、潘洋,中国科学院青岛生物能源与过程研究所刘会洲、陈骁、郑永红,北京大学刘海超,天津大学刘昌俊、王华、范志刚、芮宁、孙楷航,南开大学陈军、程方益、何良年,武汉大学
庄林,上海交通大学齐飞,中国科学院上海应用物理研究所王建强,中国科学院上海硅酸盐研究所王绍荣,合肥工业大学潘云翔。厦门大学连伟、刘波,中国科学院大连化学物理研究所姜秀美、赵凌潇,以及相关课题组的部分老师、研究生也参与了本项目的有关
工作。
由于编者的水平和时间有限,书中不妥之处敬请广大读者批评指正。
田中群 包信和
2017 7   
  总序?........................................................................................................................... i
前言?.......................................................................................................................... v
摘要?........................................................................................................................ vii
Abstract?................................................................................................................. xv
第一章 能源化学概述?........................................................................1
第一节 能源化学学科的定义、内涵与战略地位?................................. 1
一、能源化学学科的定义与内涵?..................................................... 1
二、能源化学学科的战略地位?......................................................... 4
第二节 能源化学的学科规律、特点和发展趋势?................................. 7
一、能源化学学科的发展规律?......................................................... 7
二、能源化学学科的学科特点?......................................................... 8
三、能源化学学科的发展趋势?....................................................... 10
第三节 能源化学的学科发展目标与任务?........................................... 10
第四节 能源化学学科平台建设和人才培养?....................................... 12
一、能源化学学科平台建设?........................................................... 12
二、能源化学学科人才培养?........................................................... 15
第五节 未来10年能源化学学科重点发展的研究领域?....................... 17
一、碳基能源化学领域?................................................................... 17
二、电能能源化学领域?................................................................... 18
三、太阳能能源化学领域?............................................................... 19
四、热能能源化学领域?................................................................... 19
五、能源物理化学与能源材料化学领域?....................................... 20
六、能源化学系统工程领域?........................................................... 20
第六节 能源化学学科的资助机制与政策建议?................................... 21
中国学科发展战略·能源化学
- xxviii -
第二章 碳基能源化学?......................................................................23
第一节 甲烷活化与转化?........................................................................ 25
一、研究意义?.................................................................................... 25
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 26
三、关键科学及技术问题?............................................................... 31
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 31
第二节 生物质转化化学?........................................................................ 32
一、研究意义?.................................................................................... 32
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 33
三、关键科学及技术问题?............................................................... 38
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 39
第三节 合成气化学?................................................................................ 41
一、研究意义?.................................................................................... 41
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 42
三、关键科学及技术问题?............................................................... 47
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 48
第四节 二氧化碳化学?............................................................................ 48
一、研究意义?.................................................................................... 48
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 49
三、关键科学及技术问题?............................................................... 56
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 57
参考文献?.................................................................................................... 59
第三章 电能能源化学?......................................................................69
第一节 燃料电池?.................................................................................... 71
一、研究意义?.................................................................................... 71
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 72
三、关键科学及技术问题?............................................................... 78
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 78
第二节 动力电池?.................................................................................... 80
一、研究意义?.................................................................................... 80
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 80
- xxix -
目 录
三、关键科学及技术问题?............................................................... 88
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................... 90
第三节 用于大规模储能的电池体系?................................................... 91
一、研究意义?.................................................................................... 91
二、研究现状及发展趋势?............................................................... 93
三、关键科学及技术问题?............................................................. 103
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 106
第四节 新型化学储能体系?.................................................................. 108
一、研究意义?.................................................................................. 108
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 109
三、关键科学及技术问题?............................................................. 116
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 117
参考文献?.................................................................................................. 118
第四章 太阳能能源化学?................................................................126
第一节 太阳能电池?.............................................................................. 127
一、研究意义?.................................................................................. 127
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 128
三、关键科学及技术问题?............................................................. 135
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 136
第二节 太阳能燃料?.............................................................................. 138
一、研究意义?.................................................................................. 138
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 138
三、关键科学及技术问题?............................................................. 143
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 144
第三节 太阳能热化学?.......................................................................... 145
一、研究意义?.................................................................................. 145
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 146
三、关键科学及技术问题?............................................................. 147
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 148
参考文献?.................................................................................................. 150
中国学科发展战略·能源化学
- xxx -
第五章 热能能源化学?....................................................................156
第一节 燃烧化学?.................................................................................. 158
一、研究意义?.................................................................................. 158
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 159
三、关键科学及技术问题?............................................................. 166
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 168
第二节 化学链燃烧?.............................................................................. 170
一、研究意义?.................................................................................. 170
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 171
三、关键科学及技术问题?............................................................. 173
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 174
第三节 高温燃料电池?.......................................................................... 176
一、研究意义?.................................................................................. 176
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 177
三、关键科学及技术问题?............................................................. 186
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 187
第四节 高温电解水蒸气制氢?.............................................................. 189
一、研究意义?.................................................................................. 189
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 190
三、关键科学及技术问题?............................................................. 194
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 196
参考文献?.................................................................................................. 198
第六章 能源物理化学和能源材料化学?........................................207
第一节 能源表界面物理化学?.............................................................. 209
一、研究意义?.................................................................................. 209
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 210
三、关键科学及技术问题?............................................................. 212
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 213
第二节 能源化学过程中的理论问题?................................................. 215
一、研究意义?.................................................................................. 215
- xxxi -
目 录
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 215
三、关键科学及技术问题?............................................................. 219
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 221
第三节 能源新材料制备?...................................................................... 224
一、研究意义?.................................................................................. 224
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 226
三、关键科学及技术问题?............................................................. 231
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 233
参考文献?.................................................................................................. 236
第七章 能源化学系统工程?............................................................241
第一节 基于化学能源的热电联供与冷热电三联供?......................... 243
一、研究意义?.................................................................................. 243
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 243
三、关键科学及技术问题?............................................................. 245
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 246
第二节 多联产?...................................................................................... 247
一、研究意义?.................................................................................. 247
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 248
三、关键科学及技术问题?............................................................. 253
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 254
第三节 换热网络?.................................................................................. 255
一、研究意义?.................................................................................. 255
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 255
三、关键科学及技术问题?............................................................. 257
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 258
第四节 能源互联网?.............................................................................. 258
一、研究意义?.................................................................................. 258
二、研究现状及发展趋势?............................................................. 260
三、关键科学及技术问题?............................................................. 261
四、建议研究方向与重点研究内容?............................................. 262
参考文献?.................................................................................................. 263
中国学科发展战略·能源化学
- xxxii -
第八章 能源化学学科发展的政策及建议?...................................266
第一节 能源化学平台建设和人才培养?............................................. 267
一、能源化学平台建设现状?......................................................... 267
二、能源化学人才培养现状?......................................................... 270
三、我国能源化学平台建设和人才培养的对策?......................... 272
第二节 能源化学政策与技术转移?...................................................... 274
一、能源化学政策现状?................................................................. 274
二、能源化学技术转移现状?......................................................... 276
三、案例分析:大规模储能技术相关政策与技术转移?............. 278
第三节 能源化学学科的资助机制与政策建议?................................. 281
一、全面细致做好顶层设计和学科规划,加快全面推进引领
国际新学科发展的步伐
?......................................................... 281
二、加强能源化学学科建设和人才培养的高度和力度?............. 282
三、建议设立能源化学专项基金或能源化学重点专项?............. 282
四、加强政府管理部门、研究出资主体及研究机构之间的
统筹协调
?.................................................................................. 282
五、鼓励跨学科交叉研究、重视发展能源化学领域的
颠覆性技术
?.............................................................................. 283
六、促进能源化学科技成果转化和技术转移,完善相关
能源产业链
?.............................................................................. 283
关键词索引?........................................................................................285  
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