《1    工程研究前沿》

1    工程研究前沿

《1.1    Top 11 工程研究前沿发展态势》

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 Top 11 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，篇均引用达到 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”篇均引用仅为 4.38 次，但其核心论文数近年来有增加的趋势；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、优异稳定性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。与传统的储能器件相比，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。随着世界各国对电子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的重

《表 1.1.1》

表 1.1.1 化工、冶金与材料工程领域 Top 11 工程研究前沿

序号 工程研究前沿 核心论文数 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 新型高性能陶瓷储能材料及电容器 80 11 828 147.85 2017
2 CO2 合成多碳平台化合物 250 21 383 85.53 2016.4
3 核制氢耦合冶金技术研究 51 3 161 61.98 2016.7
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 171 22 224 129.96 2017.2
5 低碳高效先进气体分离纯化材料设计和应用 261 21 148 81.03 2016.5
6 半导体光存储材料与器件研究 121 14 841 122.65 2017
7 快速自愈合高分子材料设计 151 40 410 267.62 2016.4
8 多相微观界面演变行为 212 10 128 47.77 2016.6
9 新型智能生物材料仿生设计与材料生物学理论 133 13 224 99.43 2017.1
10 极地船舶用低温钢等关键材料的研究 91 399 4.38 2018.3

《表 1.1.2》

表 1.1.2 化工、冶金与材料工程领域 Top 11 工程研究前沿核心论文逐年发表数

序号 工程研究前沿 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年
1 新型高性能陶瓷储能材料及电容器 15 14 19 17 14 1
2 CO2 合成多碳平台化合物 71 74 55 28 19 3
3 核制氢耦合冶金技术研究 14 11 9 10 5 2
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 28 37 38 28 27 13
5 低碳高效先进气体分离纯化材料设计和应用 75 60 65 43 14 4
6 半导体光存储材料与器件研究 29 20 21 27 21 3
7 快速自愈合高分子材料设计 15 10 17 27 19 63
8 多相微观界面演变行为 58 50 50 36 17 1
9 新型智能生物材料仿生设计与材料生物学理论 24 25 31 29 21 3
10 极地船舶用低温钢等关键材料的研究 6 7 9 24 23 22

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够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。

（2）    CO2 合成多碳平台化合物

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 4 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主，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大方面：一是核能制氢方面，重点方向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气电解制氢工艺； 二是氢冶金方面，重点方向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 概念受到了高度关注，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性器件的集成，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，该过程包括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、能耗低、串扰小、高互联带宽等优点，在神经形态计算中具有更加诱人的应用前景。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存储器件的人工视觉系统技术等，重点关注材料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。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和优化意义重大。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， 相关的前沿研究包括以下几个方面：pH 响应性智能凝胶材料、动态化学响应性生物材料、多元响应性药物缓控释体系、诊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机遇，孕育着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和发展。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的低温韧性、强度、可焊接性、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”号极地科考破冰船的建设，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 80 mm 的 E、F 级及更高级别低温钢的生产还存在一定困难，对低温钢在极地的应用评价技术研究不足，对特厚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 为了提高生产效率，降低生产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。纳米酶为研究纳米材料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的拓展，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。

《1.2    Top 3 工程研究前沿重点解读》

1.2    Top 3 工程研究前沿重点解读

1.2.1    新型高性能陶瓷储能材料及电容器

随着全球经济快速发展，能源消耗急剧增加， 带来了全球化石能源危机及气候变化、环境污染等问题。因此，必须开发清洁及可再生能源，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，使其在能源体系中逐渐占据主导地位。然而，可再生能源的高效便捷利用对能源存储提出了严苛的要求，使得能源储存已成为全球发展的重点问题。理想的电能存储技术应该同时具有高能量密度和高功率密度的优点，并且环境友好、经济可行、使用可靠。目前，常用的电能储存装置主要有电池、电化学电容器、电介质储能电容器。相较于前两种电能储存装置，电介质储能电容器拥有功率密度较高、充放电过程短、应用电压高等优点，在电力电子、新能源汽车、航空航天和尖端技术等领域显示出巨大的应用前景。目前用于电介质储能电容器的材料主要有陶瓷基材料和聚合物基材料。其中，介质陶瓷具有较大的介电常数、较低的介电损耗、适中的击穿电场、较好的温度稳定性、良好的抗疲劳性能的优点，是储能材料中优秀的候选者。例如，具有高储能密度和高可靠性的电介质储能材料在高能脉冲功率技术等领域有着几乎不可替代的应用。然而，目前报道的有优异储能性能的介电陶瓷几乎都含有对人体及环境具有极大危害的铅元素，因此，具有高储能密度的无铅新型储能陶瓷材料成为研究重点。

在新型储能陶瓷材料这一研究领域主要核心方向是具有铁电、反铁电、压电等特性的非线性电介质材料，主要涉及钛酸铋钠基 (Na0.5Bi0.5TiO3)、钛酸钡基 (BaTiO3) 及铌酸银基 (AgNbO3) 等陶瓷材料。

与传统的无铅陶瓷线性电介质相比，其有效储能密度较大，储能效率相对较高。此外，由于无铅介电陶瓷的密度明显小于铅基陶瓷的密度，在相同储能密度的条件下，其更容易满足储能电容器小型化、集成化的要求。但目前大多数的无铅电介质储能陶瓷材料的储能密度还远未达到令人满意的工业应用要求。
目前，高性能无铅电介质储能陶瓷材料的研究主要聚焦于解决提高有效能量密度、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关键问题。主要涉及以下几个方面：① 开发具有较大有效储能密度及储能效率的新型无铅电介质储能陶瓷材料；② 通过掺杂制备弛豫型反铁电陶瓷材料，获得较高的有效储能密度和储能效率；③ 开发新工艺，制备超细陶瓷材料粉体，提高材料的致密度，减小晶粒尺寸，提高介质陶瓷的击穿场强等。 新型高性能储能陶瓷材料及电容器开发涉及材料、物理和化学等学科的交叉研究，然而，目前核心研究人员主要集中于铁电、压电和介电材料领域，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。 

近年来，“新型高性能陶瓷储能材料及电容器” 研究的核心论文的主要产出国家及机构分别见表1.2.1    和表 1.2.2。其中，主要核心论文产出国家中， 中国位居第一，核心论文 72 篇，远远多于美国、英国、澳大利亚等国家。主要核心论文产出机构中， 西安交通大学以 21 篇核心论文位居第一，清华大学、中国科学院以及同济大学次之。由表1.2.3 可知， 核心论文施引国排名前三的分别是中国、美国和印度；而表 1.2.4 表明西安交通大学、中国科学院和清华大学是施引核心论文的主要机构。主要国家、机构间的合作情况分别见图 1.2.1 和 1.2.2。在相关研究国家中，中国 – 美国、中国 – 英国以及中国 – 澳大利亚的合作最多，美国 – 英国、美国 – 澳大利亚等国家之间也有合作（图 1.2.1）。相关机构之间的合作也比较多（图 1.2.2）。

1.2.2    CO2 合成多碳平台化合物

随着化石能源的过度消耗，不仅造成能源危机， 而且排放过量的CO2，对生态系统产生严重的影响。因此，中国政府提出“双碳”战略目标，通过对二氧化碳进行减排、捕集、封存和利用可抑制其过快增长，并改进相关技术实现碳中和。将CO2 催化转

《表 1.2.1》

表 1.2.1 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国 72 90.00% 10 168 141.22 2017.1
2 美国 12 15.00% 2 541 211.75 2017
3 英国 10 12.50% 1 370 137 2017.2
4 澳大利亚 9 11.25% 1 962 218 2018
5 捷克 2 2.50% 266 133 2018.5
6 德国 2 2.50% 169 84.5 2016
7 韩国 1 1.25% 189 189 2018
8 俄罗斯 1 1.25% 173 173 2016
9 巴基斯坦 1 1.25% 169 169 2018
10 瑞典 1 1.25% 162 162 2018

《表 1.2.2》

表 1.2.2 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 西安交通大学 21 26.25% 3 835 182.62 2017.2
2 清华大学 15 18.75% 2 451 163.4 2017.4
3 中国科学院 12 15.00% 1 536 128 2017.8
4 同济大学 10 12.50% 1 116 111.6 2017.2
5 伍伦贡大学 8 10.00% 1 833 229.12 2018
6 陕西科技大学 8 10.00% 914 114.25 2017.9
7 宾夕法尼亚州立大学 7 8.75% 1 948 278.29 2016.7
8 中国人民解放军空军工程大学 5 6.25% 822 164.4 2017
9 谢菲尔德大学 5 6.25% 693 138.6 2017.8
10 华中科技大学 5 6.25% 644 128.8 2017

《表 1.2.3》

表 1.2.3 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 2 660 64.64% 2019
2 美国 418 10.16% 2018.9
3 印度 253 6.15% 2019.4
4 英国 167 4.06% 2019
5 德国 127 3.09% 2019
6 韩国 123 2.99% 2019
7 澳大利亚 121 2.94% 2019.1
8 日本 89 2.16% 2019.2
9 法国 62 1.51% 2018.8
10 泰国 48 1.17% 2018.9

《表 1.2.4》

表 1.2.4 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 西安交通大学 330 18.73% 2019
2 中国科学院 269 15.55% 2018.9
3 清华大学 228 12.94% 2018.8
4 同济大学 152 8.63% 2018.9
5 陕西科技大学 144 8.17% 2019
6 宾夕法尼亚州立大学 131 7.43% 2018.6
7 武汉理工大学 124 7.04% 2019
8 西北工业大学 93 5.28% 2018.9
9 四川大学 93 5.28% 2019.2
10 华中科技大学 86 4.97% 2019

《图 1.2.1》

图 1.2.1 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.2》

图 1.2.2 “新型高性能陶瓷储能材料及电容器”工程研究前沿主要机构间的合作网络

化为多碳平台化合物，是碳捕集与资源化利用的重要方向，具有重要的研究意义、经济价值和工业化前景。但是由于CO2 分子具有极高的热力学稳定性， 导致其活化和C=O 断键成为碳转化领域一个难题。同时，由于多碳产物经历 C—C 键的耦合过程，如何有效地实现 C—C 键的形成和控制耦合程度也成为碳转化领域的研究难点。

利用可再生能源作为反应的能量驱动，催化二氧化碳定向转化为高附加值的含碳产品，建立人工碳循环的途径，有望实现零碳排放或负碳过程的目标。到目前为止，各类催化技术将二氧化碳转化为多碳产物的研究仍有限，多数研究集中在 C1 产品。其中，热催化二氧化碳转化为多碳产品是研究最深入的二氧化碳转化技术，但也存在产物的选择性不高和产率较低等问题。目前的研究主要集中在以下几个方面。① 制备新型催化材料，提高对于多碳产品的选择性与活性。热催化体系中主要集中在合理设计双功能催化剂，包括金属纳米颗粒与沸石分子筛复合、金属氧化物（ZnO、Ga2O3 等）和沸石分子筛（SAPO-34、ZSM-5 等）复合以及一些特定结构催化剂（核壳结构等）。而电催化体系中研究最多的是 Cu 基材料，包括形貌结构、掺杂元素、表 / 界面设计等形式，提升电化学反应动力学，提高电极材料比表面积和电导率，从而有效提高体系的多碳产率和稳定性。② 针对二氧化碳转化体系开发原位表征手段，包括原位电镜技术（STEM、TEM 等）、原位光谱技术 ( 红外光谱、拉曼光谱等 ) 和原位同步辐射技术（XAS 等）等。2021 年Nature 期刊发表了直接原位观测电催化过程的研究工作，通过原位扫描探针和 X 射线显微镜技术的联用，对单晶 β-Co(OH)2 片状粒子的析氧活性与局部可调的结构之间建立关联，揭示了体相离子插入与表面催化活性的动态关系。③ 不同体系中反应条件优化，合理的反应器设计及结构创新。工业上固定床、流化床和膜反应器等均有使用，但针对不同的体系中需要进行强化与创新。④ 对于二氧化碳转化技术，综合考虑原料、生产工艺和工程设备等因素，进行生命周期评估及经济性分析，为工业化应用提供基础。
2015 年以来，“CO2 合成多碳平台化合物”前沿核心论文的主要产出国家及机构分别见表1.2.5 和表 1.2.6，主要国家及机构间的合作情况分别见图 1.2.3 和图 1.2.4。其中，核心论文的主要产出国家中，中国占较大优势；中国科学院以 34 篇核心论文位居主要产出机构第一。在相关研究国家中，

中国和美国的合作关系最多，中国 – 英国、中国 – 日本、美国 – 加拿大之间也有密切合作（图 1.2.3）。机构之间的合作在国家内部更为紧密，例如美国橡树岭国家实验室和田纳西大学之间、韩国化学技术研究院和釜山大学之间（图 1.2.4）。根据表 1.2.7， 核心论文施引国排名前三的分别是中国、美国和德国；表 1.2.8 表明中国科学院和天津大学是施引论文的主要产出机构。

1.2.3    核制氢耦合冶金技术研究

核制氢耦合冶金技术是一项具有革命性的重大交叉创新技术，其利用高温气冷堆为钢铁冶金过程提供氢气、电力和热力，开发以氢替碳的氢冶金技术，实现核能 – 制氢– 冶金技术的深度耦合， 若探索成功，将引领世界核能与冶金行业发展的新趋势。

目前，全球各大钢铁公司正在大力布局氢冶金研究开发，但是规模经济地制取氢气成为当前氢冶金发展的瓶颈。欧洲正在开展利用可再生能源（如风电、太阳能发电等）电解水制氢，并应用于铁矿石直接还原，希望实现无化石能源的钢铁生产。当前电解水制氢产氢效率较低，制氢成本较高，大规模应用于冶金行业不具备经济可行性。

《表 1.2.5 》

表 1.2.5 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国 115 46.00% 8 116 70.57 2016.6
2 美国 50 20.00% 4 487 89.74 2016.3
3 德国 23 9.20% 3 733 162.3 2016.2
4 韩国 16 6.40% 1 264 79 2016.4
5 日本 14 5.60% 1 375 98.21 2016.1
6 英国 11 4.40% 748 68 2017.5
7 澳大利亚 9 3.60% 683 75.89 2016.8
8 西班牙 9 3.60% 631 70.11 2017
9 加拿大 8 3.20% 625 78.12 2016.6
10 法国 7 2.80% 686 98 2015.7

《表 1.2.6》

表 1.2.6 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国科学院 34 13.60% 2 604 76.59 2016.5
2 橡树岭国家实验室 7 2.80% 544 77.71 2016.3
3 布鲁克海文国家实验室 6 2.40% 1 041 173.5 2016.7
4 田纳西大学 6 2.40% 392 65.33 2016.5
5 中山大学 6 2.40% 370 61.67 2016.5
6 慕尼黑理工大学 5 2.00% 589 117.8 2016.4
7 新加坡国立大学 5 2.00% 514 102.8 2016.4
8 韩国化学技术研究院 5 2.00% 505 101 2016.4
9 釜山大学 5 2.00% 471 94.2 2016.2
10 浙江大学 5 2.00% 296 59.2 2016.2

《图 1.2.3》

图 1.2.3 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.4》

图 1.2.4 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.7》

表 1.2.7 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 7 069 49.98% 2018.9
2 美国 1 761 12.45% 2018.7
3 德国 846 5.98% 2018.7
4 印度 733 5.18% 2019
5 韩国 687 4.86% 2018.9
6 英国 653 4.62% 2018.9
7 日本 582 4.12% 2018.8
8 澳大利亚 516 3.65% 2019
9 西班牙 468 3.31% 2018.6
10 伊朗 426 3.01% 2018.9

《表 1.2.8》

表 1.2.8 “CO2 合成多碳平台化合物”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国科学院 1 282 40.45% 2018.8
2 天津大学 265 7.58% 2019.2
3 大连理工大学 243 6.95% 2018.9
4 南开大学 192 5.49% 2018.6
5 清华大学 183 5.23% 2018.8
6 中国科技大学 177 5.06% 2019.1
7 华南理工大学 177 5.06% 2018.7
8 浙江大学 175 5.00% 2018.8
9 华中科技大学 167 4.78% 2018.7
10 北京化工大学 164 5.18% 2019.3

核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点，被认为是未来氢气大规模供应的重要解决方案。目前，美国、日本、韩国、法国等都在开展核能制氢的研究。韩国钢铁公司POSCO 在 2009 年参与了韩国原子能研究院开展的核能制氢研究，并在氢还原高炉炼铁技术上进行了试验。中国从 2005 开始核能制氢技术的研究，

2019 年中国宝武钢铁集团有限公司（简称中国宝武）、中国核工业集团有限公司和清华大学等签署协议共同开展核氢冶金项目研究。总体上来看， 核制氢耦合冶金技术还处于早期探索研究阶段，但已获得国内外冶金和核能行业的广泛关注，具有广阔的应用前景。

未来该技术的研究重点包含核能制氢和氢冶金两大方面。在核能制氢方面，第四代核能技术超/ 高温气冷堆由于具有固有安全性、高出口温度、功率适宜等特点，被公认为最适合核能制氢的堆型。重点研究的制氢技术方向包括利用高温气冷反应堆出口核热的碘硫热化学循环分解水制氢工艺、混合硫循环分解水制氢工艺，以及利用核电与核热的高温蒸气电解制氢工艺。在氢冶金方面，重点研究方向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。欧洲的研究主要以氢基竖炉直接还原工艺为主，我国钢铁生产以高炉 – 转炉长流程占绝对主力，未来应重点研究富氢高炉还原工艺和氢基竖炉直接还原工艺。

近年来，“核制氢耦合冶金技术研究”的核心论文主要产出国家前四名分别为加拿大、美国、土耳其和中国。其中，加拿大产出核心论文占比33.33%。篇均被引频次排名前三的国家为澳大利亚、美国和土耳其（表 1.2.9）。产出机构在土耳其的比较多（表 1.2.10）。土耳其和加拿大之间的合作最多，美国和澳大利亚之间的合作也较多（图1.2.5）。土耳其不同机构之间有一些合作（图 1.2.6）。施引核心论文最多的国家是中国，施引核心论文比例达到 30.83%，美国的施引核心论文比例为 13.63%（表 1.2.11）。根据论文的施引情况来看，核心论文产出国排名前四的国家施引核心论文数也比较多，其中中国施引核心论文数排名第一，说明中国学者对该前沿的研究动态保持密切的关注和跟踪。中国机构中，施引核心论文产出最多的机构是中国科学院，其次是东北大学、清华大学，施引核心论文比例均超过 10%（表 1.2.12）。

《表 1.2.9》

表 1.2.9 “核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 加拿大 17 33.33% 940 55.29 2016.9
2 美国 7 13.73% 550 78.57 2016.7
3 土耳其 7 13.73% 442 63.14 2017.7
4 中国 7 13.73% 175 25 2016
5 马来西亚 4 7.84% 194 48.5 2016.2
6 澳大利亚 3 5.88% 391 130.33 2015.7
7 德国 3 5.88% 70 23.33 2016.3
8 孟加拉国 2 3.92% 121 60.5 2017
9 埃及 2 3.92% 106 53 2017
10 英国 2 3.92% 87 43.5 2017.5

《表 1.2.10》

表 1.2.10 “核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 安大略理工大学 14 27.45% 814 58.14 2017.2
2 伊尔迪兹科技大学 3 5.88% 200 66.67 2018
3 昆士兰大学 2 3.92% 354 177 2015.5
4 花园城市大学 2 3.92% 212 106 2018.5
5 曼苏拉大学 2 3.92% 106 53 2017
6 卡拉比克大学 2 3.92% 103 51.5 2017.5
7 马来西亚理工大学 2 3.92% 73 36.5 2015.5
8 中国科学院 2 3.92% 57 28.5 2015.5
9 法赫德国王石油与矿业大学 2 3.92% 51 25.5 2015.5
10 东北大学 2 3.92% 48 24 2015

《图 1.2.5》

图 1.2.5“核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.6》

图 1.2.6 “核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.11 》

表 1.2.11 “核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 715 30.83% 2019.3
2 美国 316 13.63% 2019.1
3 加拿大 192 8.28% 2019
4 英国 169 7.29% 2019.3
5 德国 169 7.29% 2019
6 土耳其 156 6.73% 2019.1
7 韩国 132 5.69% 2019.5
8 伊朗 132 5.69% 2019.3
9 印度 117 5.05% 2019.2
10 意大利 114 4.92% 2019

《表 1.2.12》

表 1.2.12 “核制氢耦合冶金技术研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构 

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 安大略理工大学 83 17.51% 2018.6
2 中国科学院 60 13.39% 2019.3
3 东北大学 52 11.50% 2018.9
4 清华大学 51 11.28% 2018.8
5 伊尔迪兹科技大学 48 10.62% 2018.8
6 北京科技大学 34 7.52% 2019.1
7 德黑兰大学 33 7.30% 2019.2
8 东京大学 32 7.08% 2019.1
9 德国尤里希研究中心 29 6.42% 2018.5
10 伦敦帝国理工学院 28 6.25% 2019.8

《2    工程开发前沿》

2    工程开发前沿

《2.1    Top 11 工程开发前沿发展态势》

2.1    Top 11 工程开发前沿发展态势

化工、冶金与材料工程领域研判得到的 Top 11 工程开发前沿见表 2.1.1。其中“工业废气的深度净化与资源化利用”“可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用”“新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用”“生物基可降解聚酯橡胶材料” 和“高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用”是基于科睿唯安提供的核心专利聚类得出，另外 6 个开发前沿为专家提出。“低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”作为新兴的能源技术，其专利被引用次数并不高（表 2.1.1），但核心专利数呈现明显上升趋势（表 2.1.2）。“新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用”仍然是受到广泛关注的方向，其专利篇均引用高，达到 10.3 次， 近年来核心专利数量仍然没有减少。“高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用”平均被引用次数达到 14.19 次，但其核心专利数呈现下降趋势。

（1）    低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化

基于有机 – 无机杂化体系的新型钙钛矿太阳能电池具备转换效率高、生产成本低等优点，是第三代光伏技术中最有希望实现产业化的技术之一。钙钛矿可以通过低温溶液法制备的特性，有效降低生产过程中的碳排放，因此钙钛矿太阳能电池的产业化对于进一步推动光伏产业的节能减排具有重要意义。目前，钙钛矿太阳能电池的产业化研究在全球范围内得到了学术界和产业界越来越多的关注与投入 , 中国、美国和欧盟等主要光伏产出与消费国家和地区均将钙钛矿列入未来重点支持的光伏技术目录。目前，钙钛矿光伏的产业化前沿方向主要集中在以下两点：开发适用于大面积、流水线化生产的高效率光伏面板制备技术、钙钛矿光伏组件的封装技术与稳定性研究；与硅光伏相结合的硅 – 钙钛矿叠层太阳能技术开发。

（2）    工业废气的深度净化与资源化利用

工业废气主要指电力、钢铁、建材、焦化等行业在燃料燃烧和生产工艺过程中排放的含有多种污染物的气体总称。工业废气排放会造成酸雨、雾霾、臭氧层空洞、温室效应、光化学烟雾等一系列问题， 严重威胁生态环境和人类发展。开发经济、有效的工业废气深度净化技术对缓解环境与生态问题尤为重要。经过数十年的发展，静电除尘、湿法脱硫、选择性催化还原脱硝等技术已相对成熟，并广泛应用于电力生产行业。目前的污染物脱除设备基本针对单一污染物，且采用串联的布置方式，脱除系统占地面积大、施工难度、运行成本较高。因此，工

《表 2.1.1 》

表 2.1.1    化工、冶金与材料工程领域 Top 11 工程开发前沿    

序号 工程开发前沿 公开量 引用数 平均被引数 平均公开年
1 低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化 1 303 1 682 1.29 2018.73
2 工业废气的深度净化与资源化利用 1 472 1 566 1.06 2017.14
3 大尺寸均质化高熵合金制备技术 899 2 861 3.18 2018.52
4 绿色低碳冶金关键工艺技术开发及应用 984 1 539 1.56 2016.96
5 可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用 449 1 318 2.94 2017.82
6 新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用 675 6 955 10.3 2016.22
7 生物基可降解聚酯橡胶材料 1 115 1 598 1.43 2017.86
8 多尺度功能材料超快激光精密制造技术开发与应用 622 6 141 9.87 2016.68
9 先进氨能源燃料电池系统的设计开发及其应用 501 3 533 7.05 2016.15
10 高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用 442 6 272 14.19 2016.95
11 极端服役环境下关键金属材料的开发与应用 640 834 1.3 2017.73

《表 2.1.2》

表 2.1.2    化工、冶金与材料工程领域 Top 11 工程开发前沿专利逐年公开量

序号 工程开发前沿 2015 2016 2017 2018 2019 2020
1 低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化 21 101 166 208 342 342
2 工业废气的深度净化与资源化利用 213 402 168 188 194 240
3 大尺寸均质化高熵合金制备技术 28 54 75 170 256 292
4 绿色低碳冶金关键工艺技术开发及应用 96 112 120 129 112 193
5 可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用 35 71 77 77 88 94
6 新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用 82 98 78 73 76 128
7 生物基可降解聚酯橡胶材料 101 133 185 166 168 206
8 多尺度功能材料超快激光精密制造技术开发与应用 65 56 67 106 104 101
9 先进氨能源燃料电池系统的设计开发及其应用 45 50 57 71 69 80
10 高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用 83 82 108 111 57 1
11 极端服役环境下关键金属材料的开发与应用 90 86 95 129 115 125

                    

业废气深度治理技术已逐渐由针对单一污染物的控制策略转向为开发高效、经济的多种污染物协同脱除技术。工业废气污染物协同净化的前沿技术包括活性炭法多污染物协同控制技术、除尘协同控制技术和选择性催化还原脱硝协同控制技术等，可在同一设备系统中消除多种污染物，以上各项技术的核心均为吸附 / 催化材料，设计与合成效果优良、价格低廉、稳定性好、广谱性强的吸附 / 催化材料是后续各技术开发中的关键问题。

（3）    大尺寸均质化高熵合金制备技术

高熵合金是一类由多种元素以等摩尔比或近摩尔比组成的新型多主元金属材料，具有高强度、耐磨、抗辐照、抗低温脆化、抗高温软化等优异性能， 在核能、防腐、动力等领域展现出巨大的应用潜力。但其复杂的成分和较差的铸造性使得大尺寸高熵合金难以制备，极大地制约了高熵合金的应用。目前， 块体高熵合金的制备方法主要包括粉末冶金法和铸造法，这两种方法在制备大尺寸高熵合金上尚存在局限性。进一步的开发研究主要从以下方面进行：① 开发针对高熵合金铸造的新型熔炼设备和技术（如真空悬浮熔炼法），进一步优化熔炼制备工艺；② 在复杂异形构件的制备方面需进一步发展高熵合金的增材制造技术，尤其是构件缺陷、质量控制工艺，实现近净成形；③ 为获得工程上可应用的大尺寸高熵合金，需发展高熵合金构筑成形制备技术，开发针对不同体系高熵合金构筑成形制备的全流程工艺。

（4）    绿色低碳冶金关键工艺技术开发及应用

冶金工业作为能源密集型行业，是碳排放大户，低碳发展势在必行。研发创新性、突破性低碳冶金技术将是实现减碳目标的必然途径。当前欧洲、日本、韩国、美国等均提出了各自的低碳冶金发展路线，深度布局低碳冶金前沿工艺技术开发。2021 年瑞典钢铁公司 SSAB 率先生产了全球首批零碳排放的“无化石钢”，迈出了冶金工业真正实现碳中和的重要一步。近年来，中国也不断推进冶金工业绿色转型发展，大力开展绿色低碳冶金技术开发， 在高炉富氢冶炼、转炉高废钢比冶炼、近终形制造等低碳冶金关键技工艺术开发上取得了一定的进展，但尚未取得重大突破。未来绿色低碳冶金关键工艺技术发展方向包含三个方面：一是流程减碳， 以现有工艺流程优化、能源结构调整、余热余能利用为基础，开发高炉炉顶煤气循环利用技术、转炉高废钢比冶炼技术、绿色高效电弧炉炼钢技术、高效连铸技术、铸坯热装热送技术、近终形无头轧制技术和生物质能利用技术等；二是源头替换，采用氢替代传统的碳还原，开发包括富氢高炉还原工艺技术、氢冶金直接还原工艺技术和氢冶金熔融还原工艺技术；三是末端治理，开发冶金尾气二氧化碳捕集、封存和资源化利用技术。

（5）    可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用

可穿戴柔性智能系统是综合利用无线通信、人工智能、大数据、柔性电子、传感器以及芯片集成等多种技术，对可穿戴物进行智能化设计形成的系统。在智能化时代的背景下，可穿戴柔性智能系统因其具有可穿戴性、可持续性、可交互性、智能化等特征，在健康与健身、医疗与保健、工业与军事、信息娱乐等领域表现出重要的研究价值和应用潜力。各国为了占领可穿戴柔性智能领域的技术制高点，也纷纷制定研发计划，着力突破技术难关。目前，相关领域的研究主要集中在传感器制备技术、柔性电子技术、电池技术、无线通信技术、人机交互技术、大数据及云计算技术等方向。近年来，相关领域已取得快速发展，但仍面临着续航能力不足、舒适性差、数据准确性低、功能单一、存在安全和隐私隐患等问题。未来，可穿戴柔性智能系统将朝着舒适化、微型化、智能化、自供电、多功能等方向发展，针对可穿戴智能产品的功能需求进行整体设计和系统构建，并与物联网、移动互联网等技术相结合，将产生巨大的经济社会价值。

（6）    新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用

新型可充二次电池的开发是实现能量高效转换与储存的关键，在新能源汽车、航空航天、大规模储能、智能电网等国家重大需求领域均有应用。储能二次电池历经了铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池等发展历程。随着资源、成本、安全等因素的影响日益凸显，在进一步提升二次电池等的储能性能的同时，尚需发展绿色环保、便宜安全的电池体系。电池中关键材料的改进和创新研究是解决上述问题的关键。一方面需从新材料、新技术、新工艺入手，重点发展新型、环境友好型、低成本的电极和电解质材料，开展新一代共性技术如界面微结构设计调控技术攻关。另一方面需结合先进的半导体工艺，使二次电池制造朝着数字化和绿色智能化方向发展，最终实现高能量密度、高安全、长寿命、绿色智能二次电池的构筑和系统应用。

（7）    生物基可降解聚酯橡胶材料

橡胶因其独特的性能，在日常生活和国防科技中具有不可替代的作用。全球橡胶消耗量在3    000 万吨左右，其中，中国橡胶消耗量为 1 000 万吨左右。然而，橡胶材料不可降解，会对环境造成污染。生物基可降解聚酯橡胶材料是通过大宗的生物基二元酸和二元醇缩合聚合得到的，具有可生物降解的性能，可从根本上解决橡胶的污染问题。其有望用于可降解轮胎、可降解鞋子、聚酯塑料环保增韧剂与增塑剂、耐油橡胶材料等领域，通过分子结构设计和配方工艺优化，可实现更宽的应用领域。中国在该领域处于世界领先位置，自从 2008 年在国际橡胶会议上首次提出了生物基橡胶的概念，已经完成了千吨中试生产，目前处于产品性能优化和市场验证阶段。生物基可降解橡胶材料是中国原创的橡胶品种，也是世界上第一个可降解的橡胶材料品种，其合成工艺、催化剂体系、生产装置等与通用聚酯材料不同。如何获得高分子量的生物基聚酯橡胶、如何解决生物基聚酯橡胶的配方工艺和加工性能问题、如何调控其降解速度来适应制品要求等， 均是该领域需要解决的关键技术问题。同时，还需要加快解决其连续化生产和加工问题，尽快实现其市场应用。

（8）    多尺度功能材料超快激光精密制造技术开发与应用

功能材料与器件以功能需求为导向，往往具有光、电、声、磁、热等单一或组合功能。随着多材料、多尺度、多功能集成需求的发展，传统设计理论与制造方法在功能材料与器件制造中不再适用， 引入新型加工制造技术实现多功能材料由宏观到介观的跨尺度精细加工具有重要应用价值。超快激光精密制造技术是基于突破晶格热扩散时间的极短脉冲激光，将能量注入高度空间选择的区域，实现材料超精细空间三维加工的技术。这项技术具有非热熔性、准确性和选择性等特点，在结构复杂性、材料多样性、尺度跨越性、功能集成性等方面具有独特加工优势，在功能材料器件制造中极具潜力。开发多尺度功能材料的超快激光精密制造技术，一方面是从功能材料多尺度“控形”和多材料“控性”的要求出发，多角度探索激光与材料作用过程中的物理场演化规律，揭示超快激光与功能材料多尺度构筑的作用机理，进一步通过反映材料性能和形貌等特性的多参数为指标构建激光时域、空域分布的映射关系，形成完备的加工评价体系。另一方面是以功能材料器件应用需求为指导，形成功能材料多尺度精密制造的开发策略，并拓展其在工业、航空航天、军事、医疗和日常生活等领域的研究价值与应用前景。

（9）    先进氨能源燃料电池系统的设计开发及其应用

氢能具有清洁、高效的特点，但其储运难和本质安全性弱是制约氢能安全高效低成本利用的关键难题。氨具有含氢量高、易于液化存储运输、本质安全性高等特点，以其为能源（储氢）载体，发展特色氨能源燃料电池技术，是实现高效、安全、经济的“零碳”能源利用新技术。美国、日本、欧洲多国已部署了“REFUEL”计划、“绿色氨 (Green Ammonia)”项目和氨储能示范系统等系列氨能源清洁转化利用项目。中国合成氨产量居全球第一， 依托合成氨的产业技术，可为氨能源燃料电池“零碳”新技术发展提供成熟的氨储运及供应体系。目前，氨能源燃料电池技术是国际前沿的研究方向，包括间接 NH3 燃料电池（NH3 分解制氢 – 氢燃料电池）和直接 NH3 燃料电池。其面临的主要挑战包括：① 高性能低温氨分解制氢催化剂的设计合成、规模化制备及配套反应器工艺；② 安全低温间接 NH3 燃料电池系统集成及成套工艺技术；③ 高效氨活化的直接 NH3 燃料电池阳极材料的设计制备及膜电极反应器开发。

（10）    高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用

新型轻合金主要包括铝合金、镁合金和钛合金， 由于密度低、比强度高、易加工回收和使用寿命长等优点，目前已被广泛用于交通运输、船舶及海洋工程、生物医学、电子信息、航空航天和国防军工等领域。但是轻合金在实际应用中也存在着耐腐蚀 / 抗氧化性能差、强度不高等问题，制约了其更广泛的应用。当前 600 MPa 以上超高强铝合金材料、400 MPa 以上超高强镁合金材料成为世界各国结构材料开发的前沿之一。同时为了扩大在海洋、航空等领域的应用范围，不断提升材料的耐腐蚀性能也是当前轻合金材料研究开发的重要课题。未来高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用技术研究方向包括：① 轻合金材料合金化理论研究及合金成分优化设计；② 新型轻合金材料制备方法、强韧化变形加工成形及热处理工艺研究；③ 轻合金材料表面防腐及改性处理技术研究；④ 轻合金材料腐蚀行为及机理研究；⑤ 高强度耐腐蚀铝、镁、钛基复合材料的制备与应用技术研究。

（11）    极端服役环境下关键金属材料的开发与应用

随着科学技术的发展，越来越多的金属材料被应用在高空、深海、极地和太空等领域，面临着高温、低温、高压、低压、高湿度、高过载、长时间等极端服役环境。围绕国家重大工程和高端装备制造，攻克材料强 – 塑性能、高 – 低温性能、长时 – 瞬态性能之间的矛盾，满足极端服役条件对材料性能的极限要求，开发先进特殊钢、高温与特种金属、高强度轻合金及其复合材料等关键金属材料成为了当前研发的重要课题。一方面是进行极端服役环境下高强韧耐蚀金属材料组织强韧化及抗疲劳机理研究，金属材料损伤及失效机理研究。另一方面包括， 高性能金属材料及其关键零部件的制备加工技术研究，服役安全评价和寿命预测技术研究，表面防护及复合增强表面工程技术研究。

《2.2    Top 3 工程开发前沿重点解读》

2.2    Top 3 工程开发前沿重点解读

2.2.1    低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化

光伏发电是目前应用最广泛的太阳能利用技术之一。中国拥有全球最大的光伏产业，是世界上最大的光伏组件生产国，同时拥有全球最高的光伏系统装机容量。目前的光伏产品仍然以晶硅为主流， 晶硅生产过程中较高的能耗成为了进一步减少碳排放的障碍，因此发展新型低能耗光伏技术具有重要意义。
钙钛矿太阳能电池是利用具备钙钛矿型晶体结构的有机金属卤化物半导体作为吸光结构的太阳能电池技术。钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术中的佼佼者，具有明显的优势：钙钛矿太阳能电池单结理论效率可以超过 30%，目前的实验室效率已经超过了 25%，达到了与硅电池相媲美的水平，是第三代光伏中效率最高的技术；钙钛矿太阳能电池的原料廉价易得，组件成本有望比硅组件更低；更重要的是，钙钛矿组件可以通过低温溶液法制备， 相比于硅电池所需的高温工艺有效降低了生产能耗与碳排放。

在钙钛矿产业化的早期尝试中，效率是最受关注的研究重点，随着目前小面积组件效率逐渐超过20%，稳定性研究也日益受到学术界和产业界的关注，目前报道的组件稳定性最长已经超过了 1 万小时。此外，钙钛矿与硅电池结合构造叠层电池可以大幅度提高硅电池的效率，如德国亥姆霍茲研究所开发的约 30% 的钙钛矿 – 硅双节结叠层电池。叠层电池体系对现有硅光伏设备相容性较好，对于传统硅光伏的升级具备巨大的吸引力。总体而言，目前钙钛矿产业化的重点趋势仍然是单结电池体系与叠层系统全面发展。对于单结电池体系， 目前的研究趋势在于通过组分与结构调控进一步提升器件效率与稳定性以及器件的封装工艺；对于叠层电池系统，除上述研究要点外，还需要关注钙钛矿层与硅电池的光谱匹配以及界面处的电荷抽取效率。无论是单结还是叠层，如何在保证高效率的同时提高组件的稳定性仍然是目前的研究重点和难点。
在钙钛矿太阳能电池产业化开发方面，中国学者和研究机构占据领先地位（表 2.2.1），国内致力于钙钛矿太阳能电池产业化的机构数目与受关注度（被引数）同样占据全球首位，而且呈现高校与企业齐头并进的态势（表 2.2.2）。除中国外，日本与美国虽然专利数目相对少但是受关注度较高； 在国际协作开发方面，中国 – 德国、美国 – 韩国合作较多，中国和德国作为光伏技术、设备的重要消费与输出国，双方在钙钛矿光伏的产业化合作较多， 美国和韩国同样合作密切（图 2.2.1）。此外，目前机构之间没有明显的合作关系，相信随着钙钛矿产业化进程的加速推进，钙钛矿产业化的技术路径会愈发清晰，届时会出现强强联合协作的局面。

2.2.2    工业废气的深度净化与资源化利用

工业废气排放为大气污染物的主要来源之一， 电力、钢铁、建材、焦化等行业在燃料燃烧和生产工艺过程中会排放大量的颗粒物（PM）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SO2）、挥发性有机物（VOCs） 以及重金属等多种污染物。目前，除电力行业烟气污染物脱除技术已较为成熟外，钢铁、焦化、水泥等主要工业的烟气污染物控制技术与装备水平参差不齐，导致生产过程产生的污染物总量大、排放浓度高，引起酸雨、雾霾、臭氧层空洞、温室效应、光化学烟雾等一系列问题，严重威胁生态环境和人

《表 2.2.1》

表 2.2.1“低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”工程开发前沿中专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 1 047 80.35% 1 327 78.89% 1.27
2 韩国 158 12.13% 120 7.13% 0.76
3 日本 33 2.53% 85 5.05% 2.58
4 美国 25 1.92% 75 4.46% 3
5 德国 4 0.31% 21 1.25% 5.25
6 印度 4 0.31% 0 0.00% 0
7 瑞士 3 0.23% 9 0.54% 3
8 英国 2 0.15% 1 0.06% 0.5
9 瑞典 1 0.08% 4 0.24% 4
10 俄罗斯 1 0.08% 3 0.18% 3

《表 2.2.2》

表 2.2.2 “低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”工程开发前沿中专利的主要产出机构

序号 机构 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 华中科技大学 31 2.38% 100 5.95% 3.23
2 电子科技大学 29 2.23% 55 3.27% 1.9
3 苏州大学 29 2.23% 19 1.13% 0.66
4 北京宏泰创新科技有限公司 29 2.23% 4 0.24% 0.14
5 武汉科技大学 27 2.07% 32 1.90% 1.19
6 杭州纤纳光电科技有限公司 26 2.00% 12 0.71% 0.46
7 中国科学院上海硅酸盐研究所 26 2.00% 6 0.36% 0.23
8 南京邮电大学 23 1.77% 23 1.37% 1
9 首尔大学 22 1.69% 35 2.08% 1.59
10 南京工业大学 21 1.61% 34 2.02% 1.62

《图 2.2.1》

图 2.2.1 “低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”工程开发前沿主要国家间的合作网络 

类发展。因此，开发适用于重点行业的烟气多污染物排放控制及系统解决方案成为改善当前环境质量的关键。

不同行业的生产工艺过程差异明显，造成烟气污染物排放特征差异大，烟气流量及温度等波动范围大，烟气成分复杂多变且腐蚀性强，对大气污染深度治理技术及工艺提出了更高要求。国际上对工业烟气污染物深度治理的研究较早，对污染物的控制多集中在单一污染物控制技术，静电除尘（ESP）、湿法脱硫（WFGD）与选择性催化还原（SCR）脱硝等技术已得到了大范围的实际应用。随着环保加严及技术进步，除 PM、SO2 和 NOx 外，非常规污染物的脱除也亟待解决，给后处理技术带来了更大挑战。然而，目前的不同污染物脱除设备之间仅采用简单串联的布置方式，导致污染物脱除系统占地面积大、系统复杂以及投资运行成本高。从国内外技术发展来看，烟气治理领域已经由针对单一污染物的控制策略转向开发高效、经济的多种污染物协同脱除技术。学术界和工业界正致力于研究 PM、SO2、NOx 及非常规污染物的协同深度控制，研发新技术或装备，并在烧结炉、水泥窑、垃圾焚烧炉、燃煤锅炉等多个领域开展多污染物协同治理示范工程的建设，为烟气多污染物的深度消除提供关键技术支撑。

目前，工业废气协同深度净化及资源化的前沿热点技术主要包括：① 活性炭法多污染物协同控制技术。以活性炭为基础，通过吸附催化等过程实现废气污染物的净化，既可实现 SO2、NOx 及非常规污染物的系统控制，也可实现硫的资源化利用。② 除尘协同控制技术。以袋式除尘器为核心，通过特殊工艺将催化剂负载于陶瓷纤维滤管的孔道内部形成具有催化作用的特殊材料，从而实现 PM、NOx 和汞的一体化脱除。③ SCR 脱硝协同控制技术。SCR 催化剂除选择性还原 NOx 的功能外，同时具有一定的氧化性能，在一定温度范围内可将废气中的 VOCs、二噁英等有机污染物深度裂解为 CO2、H2O 等无害物质，同时可进行单质汞的氧化，从而实现 NOx、二噁英、汞的协同控制。以上技术中均涉及吸附/ 催化材料的应用，设计与合成性能优良、价格低廉、稳定性好、广谱性强的吸附 / 催化材料是未来各技术开发中的关键问题。

“工业废气的深度净化与资源化利用”的相关专利产出数量排名前五的国家分别为中国、日本、韩国、德国和美国（表 2.2.3）。中国机构或个人所申请的专利占比达到了 94.23%，在数量方面占据绝对领先优势，是该工程开发前沿的主要研究国家之一。然而中国专利的平均被引数仅为 0.94 次， 远低于日本、德国和美国，专利的创新性和影响力还有待提高。从专利产出国家之间的合作网络来看， 各个国家之间没有较强的合作关系，中国需加强国际合作交流，开发具有自主知识产权的核心技术。

根据专利的产出机构情况来看（表 2.2.4）， 核心专利的产出机构除日本三菱日立电力系统株式会社外，其余均为中国机构，且大部分为企业，标志着工业废气深度净化及资源化利用技术已逐渐趋于市场化。排名前两位的产出机构为中冶南方工程技术有限公司和苏州韵蓝环保科技有限公司。从专利产出机构排名前十的合作网络来看，本前沿专利技术的主要产出企业及高校间没有研发合作关系， 说明该前沿技术的产学研合作仍有很大空间。

2.2.3    大尺寸均质化高熵合金制备技术

高熵合金是近年涌现的由多种元素以等摩尔比或近摩尔比组成的新型多主元金属材料，打破了传统合金的设计理念。具有高强、高硬、高塑性、抗低温脆化、抗高温软化、抗辐照、耐磨等传统合金所不能同时具备的优异性能。在极低温、极高温、辐照、腐蚀等极端环境条件下展现出巨大的应用潜

《表 2.2.3》

表 2.2.3 “工业废气的深度净化与资源化利用”工程开发前沿中专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 1 387 94.23% 1 302 83.14% 0.94
2 日本 47 3.19% 142 9.07% 3.02
3 韩国 12 0.82% 10 0.64% 0.83
4 德国 6 0.41% 85 5.43% 14.17
5 美国 3 0.20% 8 0.51% 2.67
6 俄罗斯 3 0.20% 0 0.00% 0
7 奥地利 1 0.07% 9 0.57% 9
8 瑞士 1 0.07% 5 0.32% 5
9 沙特阿拉伯 1 0.07% 0 0.00% 0

《表 2.2.4》

表 2.2.4 “工业废气的深度净化与资源化利用”工程开发前沿中专利的主要产出机构 

序号 机构 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中冶南方工程技术有限公司 26 1.77% 29 1.85% 1.12
2 苏州韵蓝环保科技有限公司 19 1.29% 24 1.53% 1.26
3 广东浚丰华科技有限公司 5 0.34% 19 1.21% 3.8
4 馨世界环保科技 ( 苏州 ) 有限公司 5 0.34% 8 0.51% 1.6
5 宁波东方盛大环保科技有限公司 5 0.34% 6 0.38% 1.2
6 深圳市鸿东环境工程有限公司 5 0.34% 6 0.38% 1.2
7 中国石化集团公司 5 0.34% 6 0.38% 1.2
8 苏州云白环境设备股份有限公司 5 0.34% 2 0.13% 0.4
9 日本三菱日立电力系统株式会社 4 0.27% 31 1.98% 7.75
10 中山大学 4 0.27% 21 1.34% 5.25

力，迅速成为国际材料科学领域的研究和开发前沿。高熵合金的出现使得材料研究可以实现从“应用已有材料”到“按需设计材料”范式的转移， 通过调控多组元成分实现材料优异性能的组合， 有望在一些传统材料性能达到极限而难以突破瓶颈的领域提供关键的高性能材料选择。高熵合金的潜在应用涉及多个领域，包括固态冷却、液化天然气处理、抗核降解材料、高性能航空航天材料和超硬弹道、坚固耐腐蚀的医疗设备、磁共振成像技术和国防军工等关键领域。大尺寸块体高熵合金的成功制备是实现高熵合金在上述关键领域应用的基础。

目前，高熵合金最主要的制备方法可分为机械合金法、涂层沉积法、粉末冶金法、铸造法和增材制造法。机械合金法主要用于制备高熵合金粉末； 而涂层沉积法包括激光熔覆沉积和磁控溅射沉积， 主要用于制备高熵合金涂层。块体高熵合金制备方法包括基于固相成形的粉末冶金法和基于液相成形的铸造法。粉末冶金法通过固结合金粉末可获得均匀的块体高熵合金及其复合材料。但是，粉末冶金制备高熵合金过程中易使合金成分受到污染，内部孔隙难以完全消除，同时其制备形状和大小均受到一定限制。铸造法是制备不同尺寸高熵合金最有效的方法，但由于成分复杂以及不同主元熔点的巨大差异，高熵合金具有较差的流动性和铸造性，其铸锭内部常存在明显的偏析、缩孔、裂纹等铸造缺陷， 也使得均质化大尺寸高熵合金难以制备，最大尺寸仅为几公斤级。

目前高熵合金的制备依然局限于实验室规模内，且各制备方法存在较多尚未解决的问题。为了使新兴材料尽快转化为可大规模生产的产品，使其高性能制成品更好地服务于国家重要产业领域，在国际市场取得充分的竞争力，需要加快布局，深入开展高熵合金的制备研究。重点需要关注以下几个方面。① 铸造法是制备块体高熵合金最为有效的方法，需要进一步提升铸造能力，目前高熵合金铸造大多采用真空电弧熔炼，但其尺寸、形状、均匀性等均受到极大的限制。真空悬浮熔炼法由于其具有污染小、熔炼温度高、成分混合均匀、能制备较大尺寸试样等特点，近期在制备小型均质块体高熵合金上展现出潜力，但需要进一步开发针对不同种类高熵合金的悬浮熔炼技术，解决悬浮熔炼产品的质量问题。② 高熵合金的增材制造近期也得到了大量研究，高熵合金增材制造在晶粒细化以及构件形状复杂度方面拥有较突出的优势，但在关于其增材制造过程中的缺陷控制及处理工艺方面尚需进行深入研究和完善。③ 此外，近期开发的金属构筑成形技术在大尺寸高熵合金制备上具有显著的应用前景，通过构筑优质小尺寸合金坯料可制备均质化的大尺寸高熵合金。目前构筑成形技术在风电、水电、核电等传统材料领域已实现工程化应用， 但对于高熵合金的构筑成形技术开发和基础研究尚处于起步阶段，以下几方面亟待解决：首先， 制备均质化的小型高熵合金坯料；其次，探索高效表面加工清洁方法和构筑成形工艺，研制高熵合金专用表面处理设备；最后，开发针对高熵合金构筑成形的示范工程线。

经过 10 多年的研究，中国高熵合金的发展较快，专利数量也迅速增长。“大尺寸均质化高熵合金制备技术”核心专利的主要产出国家及机构分别见表 2.2.5 和表 2.2.6，目前中国的核心专利数量最多，其次是韩国和美国。值得注意的是，中国的专利数量虽然多，但平均被引数与美国的差距还较大。此外，可以看到核心专利的产出机构主要集中在中国，其中北京理工大学的核心专利产出数量最多。从图 2.2.2 和图 2.2.3 可以看到，仅有美国和日本之间开展了高熵合金制备技术方面的合作，科研机构之间的合作也很少。

《表 2.2.5》

表 2.2.5 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿中专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 809 89.99% 2 431 84.97% 3
2 韩国 52 5.78% 257 8.98% 4.94
3 美国 11 1.22% 89 3.11% 8.09
4 印度 5 0.56% 0 0.00% 0
5 瑞士 4 0.44% 13 0.45% 3.25
6 罗马尼亚 4 0.44% 7 0.24% 1.75
7 日本 2 0.22% 33 1.15% 16.5
8 俄罗斯 2 0.22% 2 0.07% 1
9 瑞典 1 0.11% 10 0.35% 10
10 英国 1 0.11% 2 0.07% 2

《表 2.2.6》

表 2.2.6 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿中专利的主要产出机构

序号 机构 公开量 　 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 北京理工大学 34   3.78% 127 4.44% 3.74
2 北京科技大学 25 　 2.78% 289 10.10% 11.56
3 中南大学 23   2.56% 114 3.98% 4.96
4 湘潭大学 23 　 2.56% 47 1.64% 2.04
5 江苏理工学院 23   2.56% 19 0.66% 0.83
6 天津大学 20 　 2.22% 44 1.54% 2.2
7 昆明理工大学 19   2.11% 44 1.54% 2.32
8 南方科技大学 16 　 1.78% 104 3.64% 6.5
9 中国科学院兰州化学物理研究所 16   1.78% 52 1.82% 3.25
10 太原理工大学 16 　 1.78% 52 1.82% 3.25

《图 2.2.2 》

图 2.2.2 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

《图 2.2.3》

图 2.2.3 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络


 

 

领域课题组人员

课题组组长 / 副组长：  

组长：王静康    薛群基    刘炯天

副组长：李言荣    刘中民    毛新平    聂祚仁   谭天伟    周    玉    屈凌波    元英进

课题组成员：        

陈必强  邓  元  闫裔超  杨治华    叶 茂   蔡 的  李达鑫  王  静  

王景涛    杨雪晶   姚昌国   祝  薇   程路丽  黄耀东    李艳妮   涂 璇  王爱红 朱晓文

执笔组成员：

白志山    蔡    的    陈徽东    李俊华    李玉林    

梁诗景    刘    强    孙成礼    孙明月    万    颖    

王    朝    王显福    徐    至    杨宇森    姚昌国    

张太阳    张志国    赵一新    朱晓文    祝    薇 

    

 

致谢：                    

北京航空航天大学

郭思铭    韩广宇    胡少雄    张青青    周    杰

北京化工大学

 陈长京    李国峰     秦    璇    王    丹 

电子科技大学             

李    颉    彭    波    孙成礼    王显福

东北大学

王    聪    王占军

哈尔滨工业大学  

刘    强    贾德昌

华东理工大学

曹    军    贺晓鹏    王炳捷

天津大学

侯金健    乔建军

中国宝武中央研究院

辜海芳    王    媛

中国科学院大连化学物理研究所

高敦峰    荣    倩    王    昱

中国科学院化学研究所

 李永舫