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书名：中国学科发展战略·能源化学
定价：128.0
ISBN：9787030544858
作者：国家自然科学基金委员会 中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
《中国学科发展战略·能源化学》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，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。
目录：
目录
总序 i
前言 v
摘要 vii
Abstract xv
第*章 能源化学概述 1
第*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
第二章 碳基能源化学 23
第*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*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
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*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
第五章 热能能源化学 156
第*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*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
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*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
第八章 能源化学学科发展的政策及建议 266
第*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*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
在线试读：
第*章 能源化学概述
第*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入揭示电极材料、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入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*大挑战，不仅亟需新材料的发展与革新，而且还需要深入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*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*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*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。CO2排放量居全球第*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入推进能源革命，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*主要的二级学科之一。我国的化学学科已进入国际的第*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引航员。
（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*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*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。
定价：128.0
ISBN：9787030544858
作者：国家自然科学基金委员会 中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
《中国学科发展战略·能源化学》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，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。
目录：
目录
总序 i
前言 v
摘要 vii
Abstract xv
第*章 能源化学概述 1
第*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
第二章 碳基能源化学 23
第*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*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
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*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
第五章 热能能源化学 156
第*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*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
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*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
第八章 能源化学学科发展的政策及建议 266
第*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*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
在线试读：
第*章 能源化学概述
第*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入揭示电极材料、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入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*大挑战，不仅亟需新材料的发展与革新，而且还需要深入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*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*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*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。CO2排放量居全球第*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入推进能源革命，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*主要的二级学科之一。我国的化学学科已进入国际的第*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引航员。
（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*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*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。