从事能源资源热转化研究的沈阳化工大学校长许光文

沈阳化工大学校长徐光文从事能源资源热转化研究，早在十多年前就发现，研究生们经常担心没有相应的专业课程。

他的研究发现，化学工程专业往往缺乏热化学反应相关课程，学生只能去其他系选修；在能学习“热”知识的能源动力专业中，往往缺乏化学相关课程。

【资料图】

“化学学科缺‘热’”、徐光文在接受《中国科学报》采访时指出，能源学科少‘化’是一种普遍现象，不能满足学科发展和人才培养的需要。

在最近举行的香山科学会议“工程热化学：学科交叉与科学前沿”学术研讨会上，与会专家建议，按照“工程热化学”的交叉学科方向促进科学研究和人才培养将具有更广泛的适应性。

打破学科壁垒和惯性

中国工程院院士、清华大学热能工程系教授岳光溪也感受到了学生培训中课程设置的不足。根据他的经验，热能工程系的学生如果想学习循环流化床和清洁煤燃烧技术，也必须具备一定的化学素养。

岳光溪说：“我们在实践中意识到，随着时代的发展和技术的进步，工程热物理学科已经无法覆盖我们的研究对象。”。

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也表示，“双碳”战略目标对传统工程热物理学科提出了新的挑战——在传统能源动力系统中，更注重燃料化学能转化为热能后的高效传输和转化，而不是燃烧过程，但这是功能损失和二氧化碳释放的最大来源。

与光电诱发的化学反应相比，热诱发和热驱动的化学反应统称为热化学反应，主要以高温过程为标志，广泛应用于能源、化工、冶金、材料、国防等工业领域。然而，在不同的领域，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，但有共同点。

徐光文本科毕业于清华大学化学工程系，然后进入中国科学院化学冶金研究所（现中国科学院工程研究所）系统学习流态化科学技术，跨学科背景让他开始思考：解决热化学反应科学及其工程挑战，是否应该分散在各学科的共同需求和问题上，创建新兴研究领域的交叉整合？

徐光文在一次学术会议上抛出了这一思路，引起了与会专家学者的热烈讨论，并首次提出了“工程热化学”的概念。

徐光文认为，工程热化学融合的“热科学”存在障碍和惯性。、“反应化学”和“工程科学”的科学要素有望打破知识壁垒，研究共同规律，提高创新效率，拓展科学前沿，甚至产生变革性创新。

例如，我国高温热电、超高温耐火、特种合金等领域存在许多“颈”问题，高端工程材料的热化学合成涉及许多工程热化学和工程热物理问题，学科交叉整合有望解决这一问题。

在香山科学会议上，与会专家认为，工程热化学的主要应用包括碳资源转化利用、矿产资源加工冶炼、高温工程和功能材料制备、循环经济和低碳技术。

“工程热化学从新的角度梳理现有的知识体系，有利于相关行业的创新发展，”南京理工大学化工学院研究员刘大斌说

迎来新的低碳机遇

2022年5月，《自然》杂志封面文章选取了马里兰大学教授胡良兵研究小组的成果。它们开发了一种可编程的快速升降冷却反应模式，应用于甲烷裂解反应，将甲烷转化率从传统方法的35%提高到75%，而不添加任何催化剂，降低能耗高达80%。

徐光文认为，该研究是工程热化学科学的典型前沿，是调节化学反应与热作用和热传递模式匹配的创新。

他还指出，“碳中和”战略将为工程热化学学科的发展提供机遇和挑战，因为低碳能源的生产利用涉及到许多热化学反应。

数据显示，2021年，中国80%以上的二氧化碳排放源来自基于热化学反应的工业行业，包括钢铁、有色金属、火电、供热、建材、废物消耗等，其高效低碳利用存在诸多学科热点和难点问题。例如，燃料燃烧反应发生在1000-1700℃，但发电系统介质的最高工作温度长期限于600℃，高温热能未转化为电能；高温电解金属铝、镁、锌能耗效率低，迫切需要改变替代技术；铁矿石碳还原等热化学反应迫切需要用低碳富氢气体取代传统焦炭，以实现低碳化；等等。