中国学科发展战略 · 能源化学
第一节能源化学学科的定义、内涵与战略地位
一、能源化学学科的定义与内涵
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的更替或能源利用方式的改进。能源科学是研究能源在勘探、开采、输运、转化、存储和利用中的基本规律及其应用的科学，属于国际重大科学前沿。能源危机以及由能源问题引发的气候、环境危机是当今人类面临的重大难题。提高能源利用效率和实现能源结构多元化是解决能源问题的关键，这些都离不开化学的理论与方法，以及以化学为核心的多学科交叉和基于化学基础的新型能源材料及能源支撑材料的设计合成和应用。特别是在能源的开发和利用方面，无论是化石能源的高效清洁利用，还是太阳能等可再生能源的高效化学转化，都涉及重要的化学基元反应问题，都无可避免地依赖于能源化学的基础研究。
一方面，能源的高效利用，特别是传统化石燃料能源体系的高效利用离不开化学。能源利用实质上就是能量在不同形式之间转换的过程，通过化学反应可以直接或者间接实现能量和不同化学物质之间的转化与储存。化学能够在分子水平上揭示能源转化过程中的本质和规律，为提高能源利用效率提供新理论、新思路和新方法，如煤化工、石油化工和天然气工业中的许多重要过程所涉及的催化材料及其表/界面控制、化石能源和生物质的均相/非均相高效催化和绿色转化过程等领域，化学在提高其转化效率等关键问题上都具有无法替代的重要作用。
另一方面，化学已成为突破新能源的开发与转化各环节瓶颈的关键学科。煤、石油、天然气等化石能源储量有限且不可再生，其消耗殆尽已成不可逆转的趋势。为了满足人类发展对能源用量越来越多、能源质量越来越高的需求，必须开发新的能源资源，特别是具有重要战略意义的新能源，包括太阳能、生物质能、核能、天然气水合物及次级能源（如氢能、电能）等。新能源开发与转化过程中的重大科学问题不断对化学提出新的挑战，均迫切需要化学家从战略高度提出新思想、发展新方法，为新能源的开发与转化提供低成本、高效率的新材料和新技术。
因此，在亟须化学的理论与方法破解能源问题的重大背景之下，能源化学作为新兴学科应运而生。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。能源化学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。催化化学、电化学、材料化学、光化学、燃烧化学、理论化学、环境化学和化学工程等学科及其分支学科为能源化学提供了学科基础。在划定能源化学下属学科时，本书并不主张将上述化学分支学科与能源学科进行简单组合而划分为诸如能源催化化学、能源电化学等次级学科，这些发展了数十年甚至上百年的成熟的化学分支学科必须在协同解决能源问题的过程中相互融合，因此应依照不同的能源资源利用过程以及对能源体系和过程的支撑作用将能源化学划分为碳基能源化学、电能能源化学、太阳能能源化学、热能能源化学及能源物理化学、能源材料化学以及能源化学系统工程等多个三级学科（图1-1）。
图 1-1 能源化学学科脉络图
1.碳基能源化学
碳基能源化学研究如何将化石燃料、生物质等碳资源清洁、高效地转化为载能分子和化学品。碳基能源化学重点发展碳资源优化利用的新方法、新技术与新材料，特别是注重发展非石油化石资源的高效绿色利用技术，是推动我国能源进步的一个重要方向。
2.电能能源化学
电能能源化学研究电能与化学能之间的相互转化。电能与化学能之间相互转化是通过各式各样的化学储能器件即电池来完成的。电能能源化学涉及电化学、无机化学、纳米化学等学科领域。它的发展目标是通过深人揭示电极材料、电解质材料和膜材料之间多尺度带电界面的荷质转移机制，进而发展以锂离子电池、燃料电池、液流电池等为代表的安全高效化学储能体系。
3.太阳能能源化学
太阳能能源化学研究太阳能的化学转化与利用。太阳能转化与利用途径涉及众多复杂的界面能量转换/转移过程，技术提升和成本降低有赖于对这些过程的深人认识以及新材料的发展。因此，如何发展高效且成本低廉的转化与利用技术是太阳能大规模开发利用的最大挑战，不仅亟需新材料的发展与革新，而且还需要深人理解太阳能化学利用中复杂的能量转化/物质转移过程以发展新的高效利用技术。
4.热能能源化学
热能能源化学主要研究热能转化利用中的化学反应和材料，特别是中高温条件下的化学行为。由于温度是影响化学反应的重要因素，它不仅影响反应速率，而且在某些情况下还可以影响反应能否发生及反应进行的程度，使得高温下的化学行为表现出一些新的特征。热能能源化学重点发展的研究方向包括燃烧化学、高温燃料电池和高温电解水蒸气制氢等研究领域。
5.能源物理化学
能源物理化学重点研究能源化学中的表界面问题和理论问题。聚焦能源化学研究中具有重要意义的气-固表界面和液-固表界面体系，以结构、环境和外场对表界面电子态的调控为基础，通过能源、化学、材料、物理等多个学科的交叉融合，探索能源化学中的动态过程及机理，探讨表界面结构和能源转化功能之间的内在本质关系，重点突破能源高效转化涉及的催化、电化学、光-电化学等过程中的关键科学问题，建立具有普遍指导意义的能源物理化学相关理论。
6.能源材料化学
能源材料化学研究能源材料的合成与制备及其如何在能源化学过程中实现高效利用。能源新材料的开发与制备是当前能源材料化学的重点研究方向，针对碳基能源化学和电能能源化学等领域对催化材料、电极材料、电解质材料等能源新材料的重大需求，制备新型的纳米晶材料、二维层状材料、多孔材料以及复合界面材料，并从纳米尺度上对材料结构(尺寸、形貌、表面及界面作用、纳米组装与纳米空间限域、电子结构等)进行精准调控，是实现能源新材料在能源化学过程中发挥更高效能的关键一环。
7.能源化学系统工程
能源化学系统工程主要针对能源化学中的各类工艺过程和系统，利用系统工程的理论、方法与技术解决能量和物质的高效转换、综合利用和互补集成等问题，以实现对能源化学系统的最优设计、规划、决策、控制、管理和运营。能源化学因其化学反应直接或间接实现能量和不同化学物质之间的转换与储存，通过过程集成和过程综合实现节能和科学用能，力争发挥系统的最大效益和功能，是能源化学系统工程探索的焦点。
二、能源化学学科的战略地位
(一)我国能源发展面临的挑战
当前世界能源发展面临诸多严峻挑战，伴随国际政治、经济发展和技术进步，全球能源发展呈现出能源结构向低碳化演变、能源供需格局逆向调整、能源价格持续震荡、能源地缘政治环境趋于复杂化、气候变化刚性约束增强、新一轮能源技术革命正在孕育等趋势。我国是世界能源消费第一大国，在应对世界能源形势变化的同时，也面临着能源资源短缺、消费总量大、化石能源比例高、能源安全形势严峻和环境污染严重等问题。具体体现在:
(1)从传统化石能源资源储量看，我国煤炭和天然气资源相对丰富，但石油日益匮乏，且近年来对外依存度均接近60%(国际公认的安全警戒线为50%),能源安全状况堪忧。亟须在进一步提升原油利用效率的基础上，发展替代石油的碳资源利用技术。
(2)从化石资源绿色利用技术看，我国相对落后。(302排放量居全球第一位，SOX、NOX等污染物排放量大，每年排放量近2000万t，这些因素直接或间接地造成空气、土壤和水体的污染。研究指出，近年来我国频发的雾霾天气也与能源的开发和利用有关。要解决日益严重的环境污染问题，当务之急是发展化石资源的高效清洁利用技术。
(3)从能源消费结构看，我国化石能源消费占比过高，可再生能源消费占比则远低于发达国家，迫切需要发展高效率的新能源技术。
(4)从新能源研发和能源多元化发展的角度看，我国在能源领域的研发远落后于发达国家，凸显我国在能源战略决策人才和研发队伍方面的窘迫。构建全面满足能源发展需求的人才培养体系已是燃眉之急。
由此可见，能源问题已经成为影响国民经济发展的战略问题。我国积极采取各种应对措施，努力从能源的体制机制上解决这些问题，先后设立了国家能源局、国家能源委员会，批准建设了一批国家能源研发(实验)中心，为构建国家能源创新体系奠定了坚实基础。此外，近年来我国出台了一系列旨在推进能源转型的政策法规，其中2014年的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》是今后一段时期我国能源发展的总体方略和行动纲领。“十三五”规划明确提出我国将深人推进能源革命，着力推动能源生产利用方式变革，优化能源供给结构，提高能源利用效率，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，维护国家能源安全。
建设现代能源体系，防止全球能源危机，在相当程度上依赖于能源领域的科技创新，而科技创新和人才培养离不开相关学科支撑，需要形成和统一能源大学科的框架与知识体系。有充分的理由预见，在不远的将来，能源科学将跟随材料科学、环境科学建立和壮大的历史足迹，也成为被学术界、工业界和社会所广泛认可的新的一级学科，并成为国际ESI收录的学科。能源化学是能源学科的最主要的二级学科之一。我国的化学学科已进人国际的第一方阵，能源化学研究已在国际上占有重要的一席之地，因此我国有望在国际上率先搭建起能源化学学科系统的知识体系，能源化学也有望成为能源学科的各个二级学科分支发展中的前行者和弓I航员。
(二)能源化学的作用
能源化学作为关键的基础学科和知识库，不论是在常规能源的综合利用还是在新能源的研究开发中都扮演着重要的角色，其作用主要体现在：
(1)传统化石燃料能源体系的高效利用离不开能源化学。在化石资源开发与利用方面，能源化学在实现煤炭的高效清洁利用，解决碳氢比可调的技术和新型的煤清洁燃烧技术中的催化燃烧及反应控制问题、煤化工转化过程中产物定向转移控制问题、煤与可再生能源组合应用的过程设计与工艺集成技术和二氧化碳的捕集与储存技术等问题中将起到重要作用。在石油/天然气的加工和石油/天然气化工工艺中，能源化学为研究相关的新反应、新转化机理、新催化剂、新反应过程提供新的理论与方法，能够系统探讨和提出石油、天然气资源高效开采和利用的新途径。
(2)能源化学已经成为突破新能源的开发与转化各环节瓶颈的关键学科和知识库。在新能源开发和利用方面，新能源的发展一方面依靠新原理来发展新的能源系统。另一方面还必须靠新能源材料的开发与应用，支撑能源系统得以实现，并进一步提高效率，降低成本。新能源材料的最大特点是在提供能量高效转化与储存的同时，实现清洁生产，即充分利用参与反应的原料原子实现“零排放”，以获得最佳原子经济性。而新能源材料的组成与结构、合成与加工、性质与现象、使用与性能等都是以能源化学为基础出发点。
(3)能源化学致力于开发清洁高效的能源存储与转换材料，开拓能源存储与转换新体系，提高能量转换效率。在节能与提高能源效率和开发新型能源器件等方面，通过开发高容量、高功率、低污染、长寿命、高安全性的燃料电池、二次电池，发展电动汽车、替代能源车，构建节油乃至部分替代石油的新一代交通体系。在电网安全、促进新能源并网方面，发展用于大规模储能和分布式储能的电池体系，助力发展智能电网系统，破解风能、太阳能等可再生能源发电不连续、不稳定、不可控与能源需求连续性之间的矛盾，减小可再生能源发电并网对电网的冲击，提高电网对可再生能源发电的消纳能力。
综上所述，能源化学学科的高速、健康发展将对国家能源安全、国民经济和人民生活产生重要的积极影响。因此，能源化学学科理应占据优先发展的战略地位。能源化学领域复杂的关联性迫切需要理工科融合及搭建包括经济、管理学科的大框架和知识系统，呼唤新的教育培养人才的方法、模式和体系。
第二节能源化学的学科规律、特点和发展趋势
能源化学学科在能源与化学学科的相互作用过程中沉积了深厚的融合基础，在当今能源危机日益临近、环境污染日趋严重的时代背景下应运而生，属于新兴学科。能源化学学科在发展过程中始终以社会需求为导向，高度重视能源系统和器件的复杂性，注重发展颠覆性的能源技术，持续支撑能源科技继续向绿色低碳、高效、智能、多元化方向发展。能源化学具有理工科高度融合的特点，是能源学科的最主要二级学科之一。在全国范围内设置与推广能源化学本科专业，在我国高等教育体系内建立从本科生到研究生一体化的能源化学创新人才培养体系和教育模式乃是大势所趋。能源化学，顾名思义是能源与化学两个一级学科的交叉。但事实上，能源化学乃至能源学科迄今未被ESI收录，很不成熟，因此很有必要探析其发展规律、特点和趋势。
一、能源化学学科的发展规律
（一）能源化学以强烈的社会需求为导向而建立并发展
妥善解决快速增长的能源需求和日益严峻的资源和环境问题之间的矛盾是人类社会必须面对的重大问题。人类社会对能源化学的需求不仅体现在优化利用传统能源、开发新能源来应对能源危机，而且也体现在从源头上遏制环境污染，坚持可持续发展战略。换言之，能源化学学科是由全球和社会对能源需求所倒逼而建立和发展起来的，当前还处在学科建立的起步阶段，主要应以社会需求为导向，积极适应经济社会发展的需求以及能源产业发展的需求，以科学提升现有能源技术为主。当全面搭建学科框架和形成知识体系之后，则可能进人科学引领未来能源技术为主的阶段，即更为重视基础研究所引发的颠覆性（变革性）技术，进而拓展学科领地。
（二）能源资源高效利用是能源化学发展的主要推动力
能源化学是若干能源资源利用过程的先导和源泉，两者紧密相连、相互促进。例如，传统化石燃料的高效利用过程推动了煤化工、石油化工和天然气工业过程中所涉及的化石资源均相/非均相高效催化和绿色过程、催化材料及其表/界面控制等碳基能源化学研究领域的发展；新能源的开发与利用过程推动了太阳能能源化学、电能能源化学等研究领域的发展。另一方面，能源化学相关研究领域的发展和学科知识体系的丰富极大地促进能源资源利用过程更加高效、环保和可持续发展。
（三）能源化学领域颠覆性（变革性）技术推动能源生产、利用方式发生重大变革
颠覆性技术是指一种另辟蹊径、会对已有传统或主流技术产生颠覆性效果的技术，能够给经济体带来“创造性”变革，造成利润空间转移和产业结构调整，导致传统企业被新兴企业取代。例如，在能源存储与转化领域，锂离子电池作为一项颠覆性技术突破了传统铅酸、镍氢电池的技术瓶颈，使得智能手机等移动设备的推广普及成为现实。然而，现有锂离子电池技术尚不能满足电动汽车跑得更远、跑得更快、更加安全便捷的需求，因此产业对锂-空气电池、全固态电池等颠覆性技术充满期待。由此可见，面对当今能源技术面临的发展瓶颈与众多难题，必须重视发展颠覆性技术。能源学科的建立与发展思路需要建立在当今国际能源结构体系无法承受和满足日益增长的能源需求之上。在新能源开发与利用方面，钙钛矿太阳能电池技术、太阳能光解水和制备光燃料、基于外场增强效应的能源转化和利用新方式等也是值得期待的颠覆性技术。为此，能源、化学、材料甚至管理等多个一级学科的有机交叉方可有效推进颠覆性技术的产生。
二、能源化学学科的学科特点
能源化学学科主要具有以下学科特点：
（1）能源化学学科在教学和科研方面必然要有全新的知识结构体系，具有理学、工学相融合大格局的鲜明特色，需要协同物理化学、材料化学和化学工程等学科知识。能源化学是在强烈的社会需求的倒逼下建立和发展的，因此必须从现实的能源需求出发，依照不同的能源资源利用过程以及对能源体系和过程的支撑作用来构建能源化学学科的知识结构体系，这就决定了能源化学必然融合理学和工学，协同多个学科知识的鲜明特色。例如，太阳能能源化学三级学科是在人类社会对清洁、可再生能源的强烈需求下建立和发展起来的，深人理解太阳能化学利用中复杂的能量转化/物质转移过程以及新材料的发展与革新无疑属于理学基础研究的范畴，而发展新的高效利用技术，大规模开发和利用太阳能则将更多地发挥工学的专长。
（2）能源问题的解决依赖于能源体系（系统和器件）的高效构建，绝大多数能源化学体系都包含若干复杂的能源化学过程，而能源化学过程的实现又依赖于能源材料功用的发挥，特别需要从能量、时间、空间三个角度去考虑各类材料衔接的界面问题。例如，动力电源（锂离子电池、燃料电池等）由于外界实际工作环境的复杂、多变，需要在较短的时间内对外输出的电压和功率做出频繁且大幅度的变化响应，其能量输出随时间不恒定的特点使得整个体系的调控变得非常复杂。这要求在构建高效能源体系时，考虑通过能源材料、界面的调控影响能源过程，达到构建、调控能源体系的目的。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统为例，其实用商业化的瓶颈一直集中在高效价廉的催化剂和膜电极的构建，反应包含固/气/液三相界面分步骤、分层次的传质和传荷过程，涉及纳米-介观-宏观的跨尺度问题，因此，特别需要从能量、时间、空间三个角度去考虑各类材料衔接的界面问题。燃料电池系统的热管理和水管理，还需要融合工程热物理和化工技术等领域的重要基础知识，开拓出微细通道传热、传质与多相流动等工程热物理前沿领域的重要工程应用。
（3）能源化学领域的多数前沿研究正在向系统集成的方向发展，实现系统集成的关键在于能源化学各领域之间以及能源化学和其他学科之间的协同增效，需借助集成和过程革新，寻求将多种能源综合互补、高效利用的有效途径与方法。例如，煤与天然气共炼制液体燃料和化学品（煤-气共炼）是煤化工领域非常值得期待的颠覆性技术，然而，仅依靠传统的煤化工催化已被证明难以实现煤-气共炼过程，其发展方向是集成催化化学、光化学、电化学和纳米科学等手段，寻求联用方法以突破其技术瓶颈。又如，风能/太阳能-生物质基低碳混合能源系统需要集成太阳能能源化学、电能能源化学、碳基能源化学的数个研究方向，通过能源系统的相互藕合，不仅可以生产电力、输出燃料和化学品等，还能实现系统的002负排放，达到（302减排与资源化的目的。
（4）能源化学的科学研究、学科发展、人才培养特别需要强调大局和统筹观，必须以系统论的方法，以可持续发展的理念，以全局、历史、开放和关联的视角去分析和研究能源和能源化学问题。需要结合我国实际，统筹考虑能源发展与经济、社会、环境、外交等方面的关系；统筹考虑满足能源需求、保护生态环境与增强国际竞争力的关系；统筹考虑我国能源资源的特点与分布和开发与利用的关系；统筹考虑煤、水、电、油、气、核等各种能源之间的关系；统筹考虑化石能源与非化石能源、传统能源与新能源之间的关系；统筹考虑能源开发、输送、消费等各个环节之间的关系。能源化学领域很有必要将各个分离的科学研究和人才队伍等集成到紧密关联、统一和协调的大科学系统之中。
三、能源化学学科的发展趋势
能源化学学科主要具有以下发展趋势：
(1)能源化学学科的新概念、新方法、新理论将不断涌现，支撑世界能源科技继续向绿色低碳、高效、智能、多元化方向发展，引领能源生产和消费革命不断深化。
(2)前沿性探索研究和能源新技术开发的结合将更加紧密；能源化学越来越重视并参与能源科技全产业价值链的创新；与能源相关领域的渗透与综合使能源化学有机会在更大的框架和系统中得以发展。
(3)能源化学将形成完善和统一的学科框架与知识体系，理工科一体化的新模式将在探索和发展中逐步形成，并得到学生、学校乃至整个社会的认可，同时推动我国在高等教育体系内推广能源化学本科专业，建立从本科生到研究生一体化的能源化学创新人才培养体系和教育模式。
第三节能源化学的学科发展目标与任务
能源化学学科以“满足国家能源战略需求，引领国际能源化学学科”为发展目标。主导推进ESI将能源科学列为所收录的一级学科，并将能源化学列为主要的二级学科之一。
立足我国能源化学科技现状，从国家能源战略需求和学科发展需要出发，争取在5？10年内建设比较完善的能源化学学科体系和人才培养体系，持续为国家培育能源化学创新和创业人才；建立一支高水平的研究队伍，汇聚培养能源化学领军人才，成为国际能源化学研究和教学的学术高地；突破能源化学领域若干基础科学问题和关键技术，抢占国际能源化学科学研究和核心技术开发的战略制高点；建成一批先进的能源化学的科研平台及大科学装置，为解决制约我国经济发展的能源重大关键问题奠定科学基础，并为相关的能源高新技术和产业的发展提供科学支撑。
针对上述学科发展目标，能源化学具体的学科任务如下。
(一)构建能源化学的新学科框架与知识体系
从我国现有的学科划分来看，能源相关学科及其下属分支属于工科，仅与煤电、热电、水电及电网等相关，很不全面。因此，需要在学科的知识体系、方法体系和学科体制等方面进行创新，全面建成能源化学学科。具体来讲，能源化学以现有的催化化学、电化学、材料化学、光化学、燃烧化学、理论化学、环境化学和化学工程等作为主要学科基础。如何强化上述多学科的交叉融合进而使其提升为新兴学科的任务十分艰巨。需要针对碳基能源优化利用、能源的化学存储与转化、太阳能高效利用等研究领域中的重大科学问题，形成碳基能源化学、电能能源化学、太阳能能源化学、热能能源化学及能源物理化学、能源材料化学以及能源化学系统工程等三级学科等为代表、较为完善的能源化学科学体系。
（二）加快建立从本科生到研究生一体化的教育模式与培养体系
目前能源化学的科技产业人员基本上是在本科生阶段进人化学专业或材料专业，之后考上能源化学研究生或直接进人有关企业部门，这种本科生教育与研究生培养相互割裂的培育模式已难以适应新形势下能源化学领域对创新人才的需求。因此，要积极推动能源化学学科进人本科生学位授予和人才培养学科目录，推动在条件成熟的高等院校增设能源化学本科专业，并按照能源化学特定的培养目标，切实推行“宽方向、厚基础”的培育模式。鉴于国内外尚无能源化学的本科教材，要下大气力制定教学大纲和课程体系，特别是编写一套高水平的教材，并建立与之相适应的教学模式、管理制度和评估方式，系统培养理工科贯通的能源化学专业人才。力争在人才培养、学科建设和科学研究等方面抢占国际战略制高点，为实现能源领域新一轮跨越式发展提供坚实的科技支撑和丰富的人才资源。
（三）持续在能源化学领域开展原创性、引领性的科学研究与技术创新
一方面，鼓励科技工作者在能源化学领域积极开展自由探索，充分发挥科学家的想象力和创造力，发展能源化学新概念、新方法、新理论，从源头上保障科技创新，形成一批前沿性的核心技术和方法学理论，有效带动学科整体水平；另一方面，面向国家重大战略需求，建设一批技术创新类、科学研究类、基础支撑类的能源化学研究平台。利用平台汇聚能源化学领军人才和培养后备人才；利用平台开展大量原始创新工作，引导科技工作者重点解决碳基能源优化利用、能源的化学存储与转化、太阳能高效利用等研究领域中的关键科学与技术问题，保障和促进社会经济的可持续发展，进而良性反馈，进一步推动能源化学学科的健康发展。
第四节能源化学学科平台建设和人才培养
一、能源化学学科平台建设
能源科学与技术的跨越性发展离不开化学、物理学、材料科学和生物科学，以及工程科学等多学科的协同创新。进人21世纪以来，针对能源学科交叉性强的特点，美国、欧洲等世界发达国家和地区有条不紊地规划着不同层次的能源研究平台，以期从源头上推动能源技术的创新发展。
（一）中国
近年来，为推进国家能源产业科技的长足发展，我国进行了体制机制的改革，先后设立了国家能源局、国家能源委员会，批准建设了一批国家能源研发（实验）中心，为构建国家能源创新体系奠定了坚实基础。2010年，为实现我国能源科技的重大创新突破，国家能源局借鉴美国经验，决定设立一批国家能源研发（实验）中心，以满足建设创新型国家和社会能源结构不断优化升级的战略需要，以及能源技术装备的市场需求。目前，国家能源局已批准设立了48个国家能源研发（实验）中心，涉及核电、风电、高效发电、输电、煤炭清洁转化与利用、能源勘探与开发、设备材料以及能源装备等能源重点行业和领域。近年来，中国科学院和不少高校也相继建立了若干能源研究所或研究中心，一些跨学科、跨单位协作大平台的建设也逐步得到了重视，如大连洁净能源国家实验室（筹）、中国科学院广州能源研究所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院北京纳米能源与系统研究所等。2014年，由厦门大学、复旦大学、中国科学技术大学、中国科学院大连化学物理研究所共同培育建设的“能源材料化学协同创新中心”获教育部“高等学校创新能力提升计划”（2011计划）认定，旨在以“能源领域满足国家重大战略需求”和“化学基础学科领域冲击世界一流”为导向，以化学为基础、材料为载体、能源为目标，充分协同多单位优势资源，为国家能源新兴战略产业的健康快速发展提供引领性和关键性基础支撑。
（二）美国
美国能源部拥有大批从事能源化学研究的国际著名研究机构，如艾姆斯实验室、阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验所、劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯弗尔国家实验室、国家橡树岭实验室、西北太平洋实验室、桑迪亚国家实验室等。但美国并未满足这一现状，为保持其能源科技创新的领先地位，抢占新的能源科技制高点，形成系统的能源问题解决方案，2009年开始建设两大类国家级能源科技协同创新平台：能源创新中心和能源前沿研究中心。其中能源创新中心主要专注于单个能推动技术向前发展的能源议题，通过设立基于区域的“能源探索与创新研究所”，作为连接全国科学家、工程师和科学设施，以及大学、企业研发中心和国家实验室的中继站，形成全国性网络。美国能源部共投资2.8亿美元建立了8个能源创新中心，包括节能建筑系统设计创新中心，太阳能电力创新中心，电网材料、元件和系统创新中心，碳捕获和封存创新中心，极端材料创新中心，核反应堆模型和仿真创新中心，光合燃料创新中心，电池和能源存储创新中心，其中6个能源创新中心主要从事能源化学领域相关研究。与能源创新中心不同，美国能源部建设的能源前沿研究中心旨在集中最优秀的科学家和工程师就清洁能源和能源安全所面临的基础科学难题进行攻关，设立的46个能源前沿研究中心投资近8亿美元。能源前沿研究中心建立在全国的大学、国家实验室、非营利机构和企业中，有来自110个研究机构的1800名研究人员和学生参与，很好地共享了大型光源、超级计算机等先进科学装备。所设立的46个能源前沿研究中心包括：①20个中心重点研究可再生能源和零排放能源资源，包括太阳能、生物燃料、先进核能和二氧化碳地质封存；②6个中心侧重能效技术研究，包括固体发光、半导体照明、清洁高效内燃机等；③6个中心主要开展能量转换与存储的研究，包括电力存储和储氢技术；④14个中心致力于前沿尖端能源科学研究，包括极端环境下的材料和催化研究；⑤37个能源前沿研究中心主要开展能源化学方面的研究，其余9个中心部分开展了涉及能源化学的相关研究。
（三）德国
德国一直重视能源产业发展，尤其是可再生能源的发展。2010年德国政府颁布了《能源方案》，提出到2050年完成“能源转型”，实现以可再生能源为主的能源供应系统，在全球率先拉开了从“化石能源时代”迈向“可再生能源时代”的能源转型大幕。为促进科技和经济界的密切合作，德国近年来建立了政界、经济界和科技界共同组成的创新联盟，使创新覆盖整个产业链的所有重要环节。德国政府通过财政资金资助创新联盟的研发工作，动员和带动大量的企业和社会资金投人。目前，已经形成了一系列能源科技创新联盟，如电动汽车创新联盟、有机发光二极管（OLED）创新联盟、有机太阳能电池（OPV）创新联盟、锂离子电池创新联盟、分子成像创新联盟、欧洲网络技术100GET创新联盟。其中80%以上的联盟的重点研究领域涉及能源化学。
（四）英国
早在2004年英国技术战略委员会建设了若干技术创新中心，涉及近海可再生能源等7个关键领域，各技术创新中心公私投资共14亿英镑。同年，英国成立了可持续能源系统研究的权威机构——英国能源研究中心（UKEnergyResearchCentre,UKERC）,研究主题包括技术和政策评估、能源和环境、能源供应、能源需求和能源系统等五个方面，重点研究内容包括量化英国能源市场的变化和解决能源问题中的不确定性。该中心由超过30所大学和研究机构、超过200名的研究人员组成。中心开设国家能源研究网络（NERN）,为所有的能源研究人员提供新闻、工作及通信平台，促进跨学科能源研究的交流。2007年，为进一步发展可再生能源，英国政府成立英国能源技术研究所（EnergyTechnologyInstitute,ETI），期望通过与科研机构和商业机构合作，加快能源技术的发展、转化和商业化进程，提高能源效率，减少温室气体的排放，实现清洁能源和气候变化的目标。此外，为进一步促进能源领域科技成果转化，英国技术战略委员会于2015年投资建设能源系统领域技术创新中心。
（五）曰本
日本能源管理机构层次简单，能源资源厅下设于产业经济省，主要职责是编制能源基本规划草案及各类能源发展计划，统一电力、天然气、石油等各能源产业的市场运作，制定新能源的发展战略与目标，推进新能源的推广使用等。资源能源厅是日本能源科技研发领域的最高资助机构，下设能源保护和可再生能源处、自然资源和燃料处、电力和燃气产业处。1980年成立了新能源产业技术综合开发机构（NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization,NEDO）,作为独立法人机构负责新能源、节能领域的研究开发/普及以及产业技术领域的研究开发，提供研究经费，组织和管理研究开发项目。为促进能源行业科技的进一步发展，日本鼓励企业积极成立研发中心/联盟/协会，开展行业内关键的科学与技术问题研发，其中包括1990年组织成立的日本煤炭能源中心（JapanCoalEnergyCenter,JCOAL）,致力于煤炭资源的高效清洁利用；2012年成立了微藻燃料开发推进协会，致力于构建微藻燃料一条龙生产体系。此外，日本能源领域半官半民或民间研究机构还包括日本能源经济研究所、宫津能源研究所等机构。
二、能源化学学科人才培养
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。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。发展能源化学学科不仅要通过科学技术的研究与开发以发展能源化学学科领域和知识体系，还应该通过高等学校或研究部门为能源化学学科培养高级专门人才。
近年来，作为新时代发展衍生出的新的交叉方向，能源化学领域的科学技术研究在世界范围内蓬勃发展。然而在培养能源化学专门人才方面，中国和世界都处在刚刚起步的阶段。ESI学科目录中，至今未包含能源和能源化学学科门类。能源化学研究均涉及化学、材料、物理等多学科，亟须多学科的紧密协作，这对人才多元化和人才培养机制提出了新的挑战。国际上，能源化学人才的培养多采用以高校教学为基础，通过科研实践进一步提高人才整体创新能力的模式。
为拉近基础教学与能源化学科学研究的距离，近年来许多世界著名大学都开设学科交叉性强的能源相关课程。例如，美国加州大学伯克利分校开设的能源化学课程有生物质能源、核化学、绿色化学、通向可持续性发展的学科交叉方法、能源方案——碳捕获和吸收、可持续性能源科学和工程等；麻省理工学院也设立了先进能源转换基础、电磁能源——从发动机到激光、能源决策——市场和政策、可持续能源简介、电化学能源系统、电化学能源转换和存储等课程；美国西北大学开设的相关课程包括绿色化学、可持续性能源和环境、能源系统等；斯坦福大学设立了能源资源和环境、可持续性能源、环境科学和技术、可再生能源、碳捕获和吸收、能源体系优化等课程。加州大学伯克利分校提供了能源相关的本科选修课并设立了能源的硕士和博士学位，麻省理工学院则提供跨多个学科的能源课程作为选修课。英国的剑桥大学也开设了可持续性发展、可持续性能源、当前和未来能源体系、能源-可持续性和环境等课程；牛津大学则开设了能源-环境体系、能源体系课程。在曰本，大阪大学开设了催化化学、应用电化学、环境材料学、核化学等课程；北海道大学设立了催化化学、能源转化材料、资源循环材料学、资源再生工学、资源化学、电气化学等课程。
近年来，国内各高校也开设了一些能源化学相关课程。例如，北京大学开设了催化化学、高等电化学、核燃料循环化学、新型储能材料化学等；清华大学开设了催化剂与能源、生态和环境、催化动力学、绿色化学、可持续发展社会的化学、工业催化；浙江大学开设了低污染燃烧理论与技术、燃气蒸汽联合循环、太阳能利用基础、能源环境污染及其防治、能源科学与技术展望；复旦大学开设了绿色化学选读、环境催化、可持续发展概要、生物质能源技术等；台湾新竹“清华大学”开设了能源与环境概论、太阳能电池原理、低碳能源系统、核能原理、燃料电池原理与应用、先进太阳能电池、绿色能源、电化学原理。2011年，能源化学工程被教育部列人本科专业招生目录，北京化工大学、华南理工大学、中国石油大学（北京）等高校相继开设能源化学工程专业。
总体上，目前国际上还未将能源化学相关教育提升到学科高度，均存在学科系统性不强等不足，且尚未建立从基础教学到科研实践为一体的人才培养体系。我国在交叉型能源战略决策人才的培养和研发队伍的建设方面明显滞后，构建全面满足能源发展需求的人才培养体系已是能源化学人才培养的燃眉之急。一方面，仅凭借与工科方向的专业融合已远远不能满足能源科学深度发展的需要，必须与更多的基础科学相互融合。兼备化学和能源为主的知识体系，得到系统的科学基本素质培训，同时具有数学、物理和经济等相关知识的新型跨学科人才必将成为多个领域的急需人才。另一方面，基于传统学科分类的人才培养模式（化学、物理、材料的本科教育与能源方向的研究生培养相互割裂）已难以适应新形势下能源领域对创新人才的需求。因此，当务之急要以国家重大需求为导向，结合能源、化学、材料等相关学科的发展趋势，积极推动能源化学学科进人学位授予和人才培养学科目录，在条件成熟的高等院校增设能源化学本科专业，建立从本科生到研究生一体化的教育模式与培养体系。按照能源化学特定的培养目标，切实贯行“宽方向、厚基础”的培育模式，完善教学内容和课程体系，建立与之相适应的管理制度和评估方式，既要培养学生具备深厚的能源化学基础理论、基础知识和基本技能，又要使学生兼具能源相关学科的知识背景、了解前沿交叉领域的发展动态，使学生接受应用研究、技术开发和科技管理的初步训练，将他们培养成为既具备挑战能源化学前沿的潜力，又能在能源、材料、环境、化工等相关领域中发挥才干，并能在化学以及能源相关领域从事科研、教学、技术及相关管理工作的稀缺型人才。力争在世界范围内抢占在人才培养、学科建设和科学研究等方面的战略制高点，为实现能源化学领域新一轮跨越式发展提供坚实的科技支撑和丰富的人才资源。
针对这些要求，由厦门大学、复旦大学、中国科学技术大学、中国科学院大连化学物理研究所共同建设的“能源材料化学协同创新中心”正在人才培养机制方面进行积极探索，打破原有本科、硕士、博士三阶段可能在化学、材料、能源不同专业学习的割裂式培养模式，尝试建立系统的培养模式，以全新的课程体系，深化本、硕、博一体化改革力度。2013年，该中心在分析厘清国内外能源科学发展思路的基础上，积极把握能源科学的根本性发展亟须与化学学科全面融合的战略契机，成功申报目录外二级学科“能源化学”博士点，制定了“宽方向，厚基础”的研究生培养方案，率先打破由于传统学科分类而阻碍新学科形成和发展的壁垒，填补了国内外尚未有相同或类似学科的空白，迈出了将能源化学学科作为ESI评价的学科之一的坚实一步。2016年年初，由“能源材料化学协同创新中心”和厦门大学筹建的“能源化学”二级学科成功通过审批，被列人2015年度教育部新增审批本科专业。能源化学新专业隶属理学大类，代码为070305T,学制四年。伴随着“能源化学”本科新专业获批，以厦门大学牵头的中心四单位组建了高水平的师资队伍，进一步丰富和完善课程体系，加快课程大纲和教材的编撰工作，开展国际化联合培养，争取用3？5年把能源化学专业建成引领国内外相关领域发展的新兴专业，为国家新能源领域的健康快速和可持续发展提供人才和技术支撑，并对国内理工科院校开展能源化学学科建设起到示范引领作用。
第五节未来10年能源化学学科重点发展的研究领域
为实现我国能源化学领域的发展目标，结合重大理论问题、国际研究动向和国内现有研究基础，未来10年内能源化学学科将重点发展以下研究领域。
一、碳基能源化学领域
(1)甲烷活化与转化：寻求可以获得较高目标产物收率的甲烷催化转化新途径；注重开拓较为温和反应条件下的甲烷催化转化的新方法，发展光、电、热催化反应耦合的新型催化体系；注重非常规方法的甲烷活化，探索使用不同氧化剂时甲烷的多种活化方式及极端反应条件下的反应方式，寻求高效反应途径；创新催化材料的设计与制备，不仅考虑甲烷在催化活性位上的活化，同时注重活性中心的微环境。
(2)生物质转化：研究木质纤维素的结构、聚集态及其预处理和主要组分分离的新方法；研究纤维素、半纤维素直接催化转化为单糖、多元醇等平台化合物及其催化转化制备液体燃料和化学品；研究木质素的绿色催化解聚以及芳烃和环烷烃等化合物的制备；面向木质纤维素高选择性转化催化剂和反应机理的基础研究；将化学与生物转化有机结合，发展木质纤维素高效转化的新方法与新过程。
(3)合成气催化转化：汲取近年有关活性相尺寸效应、限域效应及助剂作用等方面的成果，引人介孔沸石分子筛、纳米碳材料以及低维纳米结构材料，发展核壳、限域等纳米结构催化材料的合成方法，创制高活性高选择性合成气转化催化剂；结合理论模拟和谱学表征研究，揭示反应条件下CO/CO2活化和C一C偶联机理，深人认识控制碳链增长的关键因素；构建多功能协同催化体系，有效利用反应耦合，开拓和发展合成气转化的新反应和新过程；反应器设计和反应过程强化方面的创新。
(4)二氧化碳化学利用：二氧化碳催化活化转化全方位的理论分析及分子模拟；二氧化碳转化催化剂的新型制备方法；探寻二氧化碳负离子利用的潜在价值；探寻二氧化碳催化转化新反应或新反应途径；二氧化碳光催化转化和光电催化转化。
二、电能能源化学领域
(1)燃料电池：低铂/非铀催化氧还原与氢(及生物质燃料)氧化过程，含催化材料与催化机理解析；新型抗自由基非氟固态电解质的分子设计与合成；高效能量转换多孔电极界面行为与极化本质；高一致性电堆选控策略与机制、高可靠性系统集成技术；高燃料利用率的燃料电池水热管理技术；开发新型储氢材料及高效低成本的制氢技术。
(2)动力电池:高比能量材料体系研发;研究电极反应过程、反应动力学、界面调控等基础科学问题；发展电极表界面的原位表征方法；开展基于全电池系统的电化学过程研究；促进锂硫电池等新型金属锂电池体系研发成果的转化。
(3)液流电池：高浓度、高稳定性电解质溶液的制备技术与工程化放大技术；高性能非氟离子传导膜的工程化及产业化技术；高导电性、高活性电极双极板的工程化及产业化技术；大容量、高功率密度液流电池电堆的研究开发；大规模(高功率、大容量)液流电池储能电站技术的研究开发及商业化应用示范工程。
(4)储能型锂/钠离子电池：低成本、长寿命锂/钠离子电池材料的研究；材料的表面结构与功能调控；电池性能演变过程的研究；电池安全性机制与控制技术；快速电极反应过程机理的研究；锂/钠离子电池的资源利用与环境保护。
(5)铅酸和铅碳电池：碳材料作用机理研究；负极析氢抑制技术的研究；碳材料的微观结构设计与制备技术研究；电池结构设计与生产技术研究。
(6)锂-空气电池：高稳定性、高催化活性正极材料的研究；不挥发高电化学稳定性电解液的研究；提高金属锂电极的界面稳定性的研究；高性能固体电解质隔膜与氧气选择透过技术的研究。
(7)全固态电池：发展具有高离子电导率和高环境应变性的离子导体等固体电解质体系，开展新型快离子导体材料的合成方法与电化学性能研究；开展界面物质间的化学和电化学相互作用及其反应机理和动力学的研究；发展全固态锂电池制备技术的应用基础研究。
(8)可穿戴柔性电池与微电子系统储能器件：研发具有优异机械性能和良好电化学性能的电极材料和新型固态电解质；研发具有高的电子电导率和良好的机械性能的柔性集流体；研究强度高、柔韧性好的封装材料；设计与电子系统适配的新型电池结构和封装技术。
三、太阳能能源化学领域
(1)太阳能电池：发展结合第1？第3代太阳能电池的新型叠层技术；第3代太阳能电池技术的实用化。
(2)太阳能燃料：宽光谱半导体材料的开发与制备技术研究；光(电)催化分解水制氢的基础研究与规模化；光(电)催化二氧化碳还原催化剂的设计合成；太阳能电池与电催化的结合；高效光电化学系统的界面工程。
(3)太阳能热化学：太阳能热化学燃料转化；太阳能热化学储能；太阳能热化学互补发电。
四、热能能源化学领域
(1)燃烧化学：探究关键燃烧基元反应的微观机制；开展燃烧反应中间产物的准确测量和模型的宽范围验证；建立液体和固体燃料燃烧反应动力学模型；深人研究燃烧污染物形成机理。
(2)化学链燃烧：氧载体的筛选及性能研究；化学链燃烧反应器的设计优化；化学链燃烧系统的拓展应用。
(3)高温燃料电池：熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)材料基础研究；固体氧化物燃料电池(SOFC)材料基础研究；高温燃料电池工程化应用示范研究；直接碳燃料电池(DCFC)的研究。
(4)高温电解水蒸气制氢：固体氧化物电池(SOEC)电极反应机理的研究；SOEC电堆衰减机制研究；发展高温原位表征手段；SOEC新材料体系的研发和微观结构优化；新型SOEC电解池的研发；发展大规模系统集成技术以及与清洁能源的耦合技术，建立先进工程示范装置；发展高温共电解CO2/水蒸气制备合成气技术。
五、能源物理化学与能源材料化学领域
(1)能源表界面物理化学：能源表界面的热力学/动力学特性及结构调变电子态的规律；能源表界面结构的修饰和能源化学过程的调控；能源表界面的外场调控和能源化学过程的增强；能源物理化学过程的表征新技术；能源物理化学过程的理论研究新方法。
(2)能源化学理论问题：基础计算方法的发展；新概念和新理论的提出；高通量筛选、大数据和计算信息学的融合发展。
(3)能源新材料制备：功能介孔材料的制备；金属纳米结构的制备；二维半导体材料的制备；复合纳米结构的制备。
六、能源化学系统工程领域
(1)基于化学能源的(冷)热电联供:(冷)热电联供系统的优化配置与选型研究;(冷)热电联供系统的能量管理与运行策略研究；新技术在(冷)热电联供系统中的应用。
(2)煤基多联产：多联产系统化学能和物理能梯级利用的能量转换机理研究；煤热解分级转化研究；煤、生物质气化多联产研究；煤基多联产灵活系统(燃料、产品)设计。
(3)生物质气化多联产：生物质制氢与液体燃料合成技术；BGFC-GT—体化技术；生物质与天然气基及其互补的多联产系统集成；灵活系统(燃料、产品)设计与联产方案优化。
(4)换热网络：基于夹点分析、数学规划、人工智能等技术的换热网络优化；基于夹点分析与数学规划结合的换热网络优化；换热网络控制与工艺一体化设计。
(5)能源互联网：不同类储能系统的优化配置；能源互联网核心单元的优化设计、协调调度和运行控制；多类型能源网络的耦合与连接；基于大数据挖掘的优化设计和运行方案研究。
第六节能源化学学科的资助机制与政策建议
未来10？20年，将是能源化学飞速发展的黄金时期。把握历史机遇，实现“满足国家能源战略需求，引领国际能源科技前沿”的发展目标，要求我国能源化学学科必须做好顶层设计和科学规划。立足我国能源化学学科现状，从国家能源战略需求和学科发展需要出发，本书提出如下资助机制与政策建议。
(1)要抓住国际尚未建立能源化学学科特别是本科生-研究生教育体系的良机，借助高校体制机制改革的东风，在教育部等国家部门的领导下，集中全国的优势力量，群策群力，全面细致做好顶层设计和学科规划，进而抓紧在部分基础好的高校开展试点工作，加快全面推进引领国际新学科发展的步伐。
(2)加强能源化学学科建设和人才培养的高度和力度，特别要针对理科与工科融合的特点，以编写高水平的本科教材为突破口，学以致用，走向国际。加强高校、科研院所间的合作教学和实习科研，邀请能源工业界和政府机构人员在高校开展讲座。引导推动人才培养链与产业链、创新链有机衔接，积极且扎实地在教育和培养人才模式上创新。
(3)建议设立能源化学专项基金或能源化学重点专项，以期集中有限资金突破重大关键科学问题，持续支持我国能源化学前沿创新研究，特别鼓励相关的颠覆性(变革性)研究，以使我国的能源化学科研与技术全面进人国际第一方阵。
(4)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。优化基础研究项目、人才、基地，自由探索性研究和定向性研究的经费配置。在加强竞争性项目经费投人的同时，加大对人才和基础研究、公益类科研机构持续且稳定的支持力度。在能源领域布局一批能源研究的国家级平台(如国家实验室)，尤其是能源化学前沿创新平台，使基础研究、高技术开发、成果产业化能形成有机的链条，体现基础研究和学科建设成果对创新型国家的支撑作用。
(5)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。建议采取多样化的科研组织方式，推动多学科交叉研究。在项目的组织形式上既要鼓励科学家自由选题，开展探索性研究，更要根据国际科学发展的动态和我国实际情况，通过国家相关的资助机构，加强系统设计，围绕总体目标开展系统性研究。强化基础和推进学科交叉已成为培育颠覆性技术的重要趋势，建议凝聚优势力量，重点针对能量获取、储存、转换及传输过程中的重要科学问题，进行能源颠覆性技术研究。
(6)促进能源化学科技成果转化和技术转移，完善相关的能源产业链。技术转移是推进能源产业发展的重要方式和有效途径，为加快能源改革进程、提升能源自主保障能力，必须高度重视能源技术转移工作。通过新模式培养相关人才，实质性推进全产业链协同创新和联合攻关，系统解决能源化学工程化和产业化的关键问题，加速形成能源新兴产业集群。