中国工程院-2021全球工程前沿发布会
全球工程前沿2021中文版 (Engineering Fronts 2021 Chinese Version)
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全球工程前沿2021英文版 (Engineering Fronts 2021 English Version)
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1、工程研究前沿
1.1 Top 11 工程研究前沿发展态势
化工、冶金与材料工程领域研判得到的Top11工程研究前沿的核心论文情况见表1.1.1和表1.1.2.其中，基于科睿唯安提供的核心论文聚类并结合专家研判，得出4个研究前沿，分别是“新型高性能陶瓷储能材料及电容器”，“高性能聚合物受体及其在柔性全聚合物太阳能电池中的应用”，“新型智能生物材料仿生设计与材料生物学理论”，和“高催化活性纳米酶的设计与应用”。其他7个前沿则为专家提出。应用前景广阔的“快速自愈合高分子材料设计”备受科研人员关注，篇均引用达267.62次；而与新能源相关的“新型高性能陶瓷储能材料及电容器”和“高性能聚合物受体及其在柔性全聚合物太阳能电池中的应用”，也有较高引用；研发周期长的“极地船舶用低温钢等关键材料的研究”篇均引仅4.38次，但其核心论文数年来有增加的趋势；与“双碳”目标最为相关的研究“CO2合成多碳平台化合物”近年来核心论文出现下降趋势；与新能源相关的“新型高性能陶瓷储能材料及电容器”核心论文数无显著变化（表1.1.2）
（1） 新型高性能陶瓷储能材料及电容器
全球化石能源的不断消耗以及日益严峻的环境问题，使得开发和利用高性能、环保型储能材料及器件成为当前研究热点。介质储能电容器具有高功率密度、快充放电速率、优异稳定和低制造成本等优势，在电能的存储和运输方面具有广阔的应用前景。与传统储能器件相比，陶瓷介电电容器在介电性能、击穿电场、温度稳定性以及抗疲劳性能等方面表现更为突出。然而，目前性能优异的介电储能陶瓷一般含有铅元素，造成较大的环境污染问题。随着世界各国对电器件中含铅材料的限制，开发出环保型无铅陶瓷电介质电容器成为当前重要研究方向。具有铁电、反铁电、压电等特性的非线性电介质材料，与传统的无铅线性电介质相比，其有效储能密度较大，储能效率相对较高，但还远未达到工程应用要求，需要不断优化其储能密度和储能效率。此外，随着新技术的快速发展，苛刻的使用环境要求陶瓷电容能在宽温区内有稳定的性能，高效洁净电能的储存、运输、分配和使用要求储能器件向小型化和轻量化方向发展。因此，提高有效能量密度、储能效率和击穿场强，拓宽温度稳定区间，开发小型化和轻量化陶瓷储能电容器等是新型高性能储能陶瓷电容器材料的急需解决的核心问题。新型高性能储能陶瓷材料及电容器的开发涉及材料、物理和化学等学科的交叉研究，亟待多学科的深度融合，拓展新的研究路径，开发出高性能、环保型的陶瓷储能材料及器件。
随着人类社会工业化进程的推进，煤、天然气和石油等化石能源被过度消耗，人类向大气中排放过量的二氧化碳，造成能源危机和环境问题。如何将二氧化碳转化为高附加值的化工产品，实现人工碳循环，是人类亟须解决的问题之一。二氧化碳还原制备多碳平台化合物是指利用可再生能源生产的绿氢、可再生能源提供的清洁电力或太阳能等将二氧化碳还原转化为多碳产物（乙醇、乙烯、长链烷烃等）的技术，是零碳排放甚至负碳过程的实现。二氧化碳还原制备多碳产物（C2+）的研究目前集中在以下四个方面：1）不同反应体系高效催化材料的理性设计和可控合成，实现优异的催化性能，并基于催化机理的深入研究建立有效的构效关系；2）二氧化碳反应体系原位表征手段的研究与开发，利用原位电镜技术，原位光谱技术，原位同步辐射技术等捕获和监测实际反应过程中间物种变化状态及催化结构的演变；3）对不同反应体系中反应器的合理设计和结构优化，增强反应传质过程和减少使用能量损失；4）基于市场价格、工艺水平和多维模型等因素，进行生命周期评估及经济性分析，为工业化应用提供指导。
（3）核制氢耦合冶金技术研究
氢气是一种清洁燃料和优良的还原剂，用氢取代碳对铁矿石进行还原的氢冶金技术，可减少由于碳还原造成的二氧化碳排放，被认为是真正可实现的低碳或无碳冶金技术。能够规模经济地供给氢气，是氢冶金发展的前提和基础。目前世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为言，难以满足氢冶金对氢气制备高效、大规模、无碳排放的需求。核能制氢利用核反应堆产生的热作为一次能源，从含氢元素的物质水制备氢气，具有不产生温室气体、高效率、大规模等优点，是未来氢气大规模供应的重要解决方案。核制氢耦合冶金技术将核能-制氢-冶金技术深度耦合，是具有革命性的重大交叉创新。该技术未来的研究重点包含两个方面：一是核能制氢方面，重点方面包括高温热化学循环分解水制氢工艺、利用核电与核热的高温蒸汽电解制氢工艺；二是氢冶金方面，重点方面包括富氢高炉还原工艺、氢冶金直接还原工艺和氢冶金熔融还原工艺。
（4）高性能聚合物受体及其在柔性全聚合物太阳能电池中的应用
全聚合物太阳能电池（all-PSCs)在低成本、可穿戴、便携式能源器件的应用上的优势尤为突出，这主要是得益于其在溶液加工、形貌稳定、机械柔性等方面的优势。然而在长时间内，高性能聚合物受体材料的缺乏以及由此造成的器件低能量转换效率（PCEs)成了该研究走向商业化应用的最大障碍。2017年，中国科学院化学研究所的研究团队提出了一种“小分子受体聚合物化”（PSMA)的新策略，该策略在保留了小分子受体（SMAs)强吸收优点的同时，还拥有聚合物在成膜性好、柔性好和稳定性好等方面的潜在优势。为此，PSMA在all-PSCs的应用上具有诸多优势，更为重要的是，它打破了限制all-PSCs性能提升的主要瓶颈，即长波长方向弱吸光问题。近年来，PSMA概念受到高度关注，迅速将all-PSCs器件效率提升到17%以上，同时还构筑了高性能柔性all-PSCs器件，也显示出其在稳定性、柔性方面的突出优势。目前PSMA已发展成为一个重要的前沿研究领域。但面向应用该领域仍需解决以下科学问题：1）材料合成方法上的创新，以实现低成本PSMA材料的绿色合成，以及与之匹配的聚合物给体材料的合成；2）all-PSCs形貌的进一步优化以及能量损失的进一步降低；3）柔性器件的构筑以及与其他功能器件的集成，以充分发挥all-PSCs在可穿戴、便携式能源器件上的优势。
（5）低碳高效先进气体分离纯化材料设计和应用
气体分离在能源和环境等工业生产中具有重要作用。通常，该过程包含多种分离体系如氢气/甲烷分离、二氧化碳捕获、一氧化碳移除以及燃料气体脱硫等。然而，传统分离方法（如低温分离、变压吸附和化学吸收等工艺）存在能耗高等问题，因此高效节能、绿色环保的新型分离方法（如离子液体吸收、新型吸附剂吸附和微孔膜分离等）逐渐成为研究重点。其中，开发新型吸附和膜分离材料成为一个重要的前沿研究领域，例如碳基吸附剂、沸石分子筛和共价/金属有机框架的新型微孔和介孔材料，这主要得益于它们在比表面积、孔径、化学性质和稳定性方面的优异性能。设计和开发新材料的关键科学挑战是提高分子尺度的控制合成水平以及发展现代表征和计算方法，帮助支持、指导新材料的大规模筛选以及高通量合成与表征，从而进一步细化确定最有前途的结构。
（6）半导体光存储材料与器件研究
半导体光存储技术是利用基于半导体材料的光电子器件将外界光信号转变成电信号，从而实现光信号的高效存储。这种类型的光电子存储器件既具有电学存储器的高集成度、多功能化、与CMOS工艺兼容的特点，又具有光学器件的运算速度快、能源低，串扰小、高互联带宽等优点，在神经形态计算中具有诱人的应用前景。基于半导体材料的光电子存储器件正处于快速发展阶段，其面临的主要挑战在于如何用低维半导体材料同时将光信号转变成电信号并利用光信号实现数据存储、运算等。目前半导体光存储材料与器件的研究主要聚焦在低维半导体光存储材料的筛选制备、半导体光存储新机理探索与基于光电子表面低维结构缺陷化学与光电子存储器性能的内在关联。
（7）快速自愈合高分子材料设计
快速自愈合高分子材料是指在受到损伤后可以自发地或通过刺激实现损伤部位的快速修复的材料。自愈合能够延长聚合物材料的使用寿命、降低维护成本、减少原料浪费和提高材料在使用过程中的可靠性。快速自愈合高分子材料在柔性电子皮肤、组织工程和智能材料等方面备受关注。本征型自修复高分子材料是自愈合高分子材料的主要研究方向，其主要设计路线有两种：一是在聚合物网络中引入动态共价交联（如二硫键、动态硼酸酯键、DA反应和席夫碱反应等）；二是在聚合物网络中引入非共价交联作用（如氢键、金属配位相互作用、静电相互作用和主客体相互作用等）。目前，自愈合高分子材料的主要问题是自愈合条件苛刻以及大量引入具有自愈合功能的基团带来的物理机械性能的损失。因此，制备自愈条件温和、协同自愈和高强度的自愈合高分子材料是未来的重要发展方向。同时，对自愈合高分子材料的内在结构-性能关系以及潜在的愈合机制和分子动力学过程的研究仍处于起步阶段。此外，自愈合高分子材料的挑战是所制备的自修复网络具有和生命体一样的新陈代谢的特征。未来研究的最终目标是制造类生物有机体材料：具有自主性和适应性，像生物有机体的编码分子一样能够决定自身生长和结构组装来响应环境。
（8）多相微观界面演变行为
多相系统中界面性质和界面行为往往影响着化工过程中的传质、传热、动量传递、分离和反应。界面行为是指发生在相界面上的各种物理、化学过程而引起的界面行为。在众多过程中多相微观界面演变行为至关重要，它既涉及界面区内物质的化学组成、物理结构和电子状态，又与界面两边的主体相物质的性质有关。多种微观界面演变行为主要涉及相界面破碎和聚并、液膜薄化和断裂、界面传质和富集，以及界面波动和毛细波传播。因此，研究不同体系下的界面现象与行为有助于从本质上来认知化工过程的客观规律，对化工反应和工业分离过程的设计与优化意义重大。此外，在材料制造技术领域中也涉及相界面间的物理化学变化问题，应用界面化学规律和界面物性可改善工艺条件和开拓新的技术领域。目前，相关的前沿研究包括以下几个方面：污染物界面行为调控技术及其应用；多相反应体系的微界面反应强化与构效调控；纳米流体界面行为理论研究与模型开发；基于界面行为的材料设计与结构优化；原位技术驱动颗粒的界面定向自组装。
（9）新型智能生物材料仿生设计与材料生物学理论
生物材料与生物学之间的联系十分密切，由于二者的相互依存关系从而衍生出了“材料生物学”理论，它是一门研究生物材料特性对细胞、组织、器官和整个生物体水平的生物学功能的生物学效应的科学学科。材料生物学原理将有助于开发新型智能生物材料，了解材料与生物相互作用的基本机制可以为其他先进仿生材料的设计提供思路。大多数传统材料在临床使用时常常被作为“静态材料”。为了应对更复杂的疾病治疗，未来将开发出具有“智能”或“刺激响应”属性的生物材料，具有广阔的应用前景。因为它们具有自我可变性动态特性，对环境的微小变化高度敏感，这将使它们能够用于细胞恢复、分离、纳米医学和疾病治疗等应用。目前，相关的研究前沿包括以下几个方面：PH响应智能凝胶材料、动态化学响应性生物材料、多元响应性药物缓控释体系，论断用人工细胞膜与仿生治疗系统、表面识别响应仿生材料等。生命科学与材料科学相融合，以生物体为目标，在不同层次和水平上仿生，才能使材料与系统智能化和环境友好化。这将为智能生物材料的发展提供新的机遇，孕育新的材料生物学理论，新型智能仿生材料、及由此衍生出的各种新型先进治疗技术。
（10）极地船舶用低温钢等关键材料的研究
随着全球气候变暖加剧，极地地区开发难度逐渐降低，各国在极地资源开发的竞争日趋激烈，带动了极地船舶装备的需求与发展。极地船舶长期面临超低温的恶劣服役环境，对钢材的要求极高，由于冰层接触线以下的船体部分必须承受冰层的反复撞击，因此所用钢材必须具备足够低韧性、强度、可焊性、疲劳强度等。在极地船舶用低温钢研制方面，俄罗斯、日本、韩国、芬兰等国处于领先地位。近年来，依托“雪龙”号极是科考破冰船的建设，中国在极地船舶用低温钢等关键材料研发和应用上取得了突破，为极地船舶用低温钢的发展打下了基础。但是中国对厚度大于80mm的E、F级及更高级别低温钢的生产技术研究不足，对特厚强规格低温钢低温韧性和强度机理的研究偏少。随着各国对极地战略的重视，为船舶用低温钢的研发提供了广阔的前景，对材料的各项性能指标也提出了更高的要求。未来极地船舶用低温钢的研究需要考虑以下几个方面：1）船舶用低温钢需要具有较好的强韧性匹配和止裂性能来适应恶劣的航行条件，保证船舶在低温环境下的航行安全；2）船舶用低温钢还需要通过提高强度达到减轻自重、增加载重量、提高船速的目的；3）为了提高生产率，降低生成成本并适于恶劣环境下的简易维修，船舶用低温钢必须满足低温韧性和大线能量焊接的性能；4）配套焊接材料及焊接工艺、超低温断裂行为评价等也是未来研究的重点。
（11）高催化活性纳米酶的设计与应用
纳米酶是在温和条件下模拟天然酶催化功能，并遵循天然酶催化动力学的功能纳米材料。纳米酶兼具有拟酶催化和多相催化特性，是连接酶催化和多相催化的桥梁。纳米酶作为一种纳米催化材料，与天然酶相比，具有制备纯化过程简便、稳定性高、重复使用性能好的优势，可以在较严苛工况下完成高效催化反应，因此在分析检测、生物医药、环境修复等天然酶耐受性差的应用环境中具有重要应用价值。纳米酶为研究纳米的生物功能提供了新的视角。未来纳米酶的研究将重点突破以下几个方面：多种类型纳米酶催化反应拓展，尤其是实现天然酶所不能催化的反应；催化活性位点的精确解析，实现关键催化机理的深入阐述；催化活性位点的拟酶化学设计，提高催化效率和催化选择性。
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