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电化学:学科发展趋势及重点发展研究领域

浏览数:2451    更新时间:2021/09    

 电化学是研究电能与化学能以及电能与物质之间相互转换及其规律的学科。电化学学科既是基础学科又是应用学科,在能源、新材料、环境保护、信息技术和生物医学技术等方面具有独到的应用优势。特别是在化石能源日趋减少、环境污染日益严重的今天,电化学能源以其高效率、无污染的特点,在化石能源优化清洁利用、可再生能源开发、动力交通、节能减排等人类社会可持续发展的重大领域中发挥着越来越重要的作用。在这样的大背景下,电化学学科遇到了前所未有的发展机遇,但同时也面临着巨大的挑战。

      随着全球范围内材料科学和能源科学的蓬勃发展,国际上对电化学学科的认识不断深入和重塑。当前,电化学学科不仅与无机化学、有机化学、分析化学和化学工程等学科密切相关,还在环境科学、能源科学、生物医学、信息技术、现代工业等领域中居重要地位,呈现不同领域专家通力协作研究开创的多领域、跨学科交叉的独特风格,逐渐发展成为横跨基础科学(理学)和应用科学(工程、技术)两大方面的重要学科。

      电化学学科研究的具体体系不断拓展,研究电极从本体电极拓展到众多新材料电极(纳米材料、有机聚合物导体、生物膜、酶等),研究介质从水溶液介质拓展到非水溶液介质(有机溶剂、熔盐、固体电解质等),研究界面从简单的固/液界面拓展到复杂多相界面(固/固、固/气、固/液/气等),研究尺度和理论模型也已深入分子乃至原子尺度。同时,电化学学科的应用领域涉及国家发展战略规划中的重要行业,传统的电化学理论和技术已不足以支撑日益扩大的重大需求,急需创新电化学基础理论和发展先进的研究方法。

 

      厦门大学发起并主持了中国科学院学部学科发展战略研究项目——“电化学学科发展战略研究”。该项目在中国科学院学部支持下,依托中国化学会电化学专业委员会、厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心,以及国家自然科学基金委员会“界面电化学”创新研究群体,汇集电化学基础研究领域和企业界的知名专家学者,共同谋划电化学学科发展战略。本项目旨在梳理电化学学科发展的历史脉络,分析学科发展总体态势和一般规律,凝练电化学应用领域中的关键科学问题和瓶颈技术难题,探讨未来电化学学科发展的重要方向。在此基础上,为我国电化学学科的持续、协调、健康发展提出有针对性的政策建议,为国家高新技术产业战略的实施提供有效策略、技术支撑和人才保证。

 

      新时代电化学学科的发展需要进一步完善全面和系统的知识理论体系,解决技术应用中的关键瓶颈问题,为下一代电化学科学技术的发展提供有力的支撑。

 

      电化学学科的发展趋势

      根据电化学学科的发展现状与态势,预测未来 10 年内我国电化学学科的发展趋势如下。

 (1)为适应新时代电化学科学的新需求,电化学领域的新概念、新方法、新理论不断涌现,对电化学科学基础的认识将不断深入和重塑。

 

(2)在与不同学科的交叉融合中,电化学理论框架和知识体系将逐步统一和完善,电化学研究方法和技术更加先进,电化学基础研究中的部分重要科学问题将获得有效的解决途径。

 

(3)基础前沿探索研究和创新技术开发同步开展,基础与应用、科学与工业的联系更加紧密。学科发展越来越重视并参与电化学产业的创新,电化学科学与技术将渗透到各类新兴产业发展中,为下一代技术革新提供新思路。

 

      电化学重点发展的研究领域

      根据我国电化学学科和电化学工业的发展现状,结合国际研究动向和我国战略规划,针对电化学学科需要解决的重大科学问题,未来 10 年内电化学学科重点发展的研究领域建议如下。

      电化学基础理论与研究方法

      适用于新型电化学界面结构和过程的电化学理论构建、概念创新和反应机制探究;依托人工智能和大数据的电化学表界面理论模拟和计算方法;工况下高能量、高空间和时间分辨及无侵扰的电化学研究表征方法。

      电化学材料领域

      材料结构、表面和界面等与电化学性能的关联与规律;高性能、长寿命、低成本的电化学材料的理性设计;结构可控的电化学材料的规模合成方法;电化学沉积技术在材料表面改性特别是功能材料制备中的应用。

 

      化学能量存储领域高比能量动力锂电池材料体系研发及其应用过程中的容量衰减、安全性等问题研究;低价格的二次电池(钠、钾基)、多电子反应的变革性电池(镁、铝、锌、铁等体系)、水性二次电池等新型储能体系的开发;锂– 硫、锂 – 空、固态金属锂电池等下一代高比能电池体系及相关材料的开发;高安全性和高性能的新型锂离子电池电解质系统;超级电容储能机制和高功率、高能量超电容关键技术;新一代高性能、低成本液流电池关键材料技术与智能控制管理技术。

      电化学能量转换领域

       质子交换膜燃料电池关键材料开发、膜电极功能化构筑和工况环境协同催化与长稳服役机制研究;固态氧化物燃料电池在大规模储能、燃料电池汽车、小型家用/商用以及大型商用方面的系统开发与研究;水电解技术中的催化剂开发与有效调控策略;发展高效、低能耗、环境友好的关键光伏材料体系和新型光伏器件中光电转换过程的相关机理。

       电化学分析和生物科学领域

 

电化学生物传感器的放大策略开发;电化学分析在现代大健康中的应用;单分子精准动态测量;可穿戴式电化学生物传感器开发;结合人工智能发展以大数据为应用平台的电分析技术;发展电化学分析技术用于电化学过程的理论研究。

      电化学工业领域

电化学工程基础研究;电极材料和电化学反应器;电化学合成技术;环境电化学;电化学表面修饰与加工;高端电子制造(芯片、封装、集成)中的电子电镀技术与电子化学品。

       电化学发展机制与政策建议

       未来的 10~20 年是电化学学科快速发展的新的黄金时期,把握历史机遇,挑战瓶颈难题,以“超越传统,引领未来”为学科发展总体目标,要求我国电化学学科必须做好顶层设计和科学规划,立足于我国电化学学科发展现状和国家战略需求,充分利用人力、物力、财力等各项资源。本书提出的发展机制和政策建议如下。

 

(1)全面细致地做好学科规划,科学合理地布局发展方向,加快电化学学科引领国际发展的步伐。

 

(2)加强电化学学科建设和人才培养的高度和力度,为学科的未来发展储备力量。

 

(3)推动跨学科交叉研究,鼓励相关领域的人才队伍切入电化学学科,重视有颠覆性可能的创新技术。

 

(4)促进电化学科技成果转化和技术转移,健全电化学产业链,加速急需产业技术孵化。

 

(5)设立电化学科学与技术专项研究基金,如重大研究计划、重点项目等。

 

(6)提升政府管理机构、研究出资机构与研究主体之间的统筹协调能力,减少研究主体的事务性工作,提高研究成果产出效率。 (7)改进科研评价体制,营造健康学术生态和科学研究文化,改善科研工作者生活与工作环境,促进产学研融合发展。

      本文摘编自《中国学科发展战略·电化学》(中国科学院 编),内容有删减,标题为编者所加。

      内容简介

      电化学学科作为一门横跨基础科学和应用科学的重要学科,应用领域涉及国家发展战略规划中的重要行业,呈现多领域跨学科交叉的独特风格。《中国学科发展战略·电化学》一书通过调研国内外电化学学科现状,梳理分析学科发展的总体态势和一般规律,凝练了电化学应用领域中的关键科学问题和瓶颈技术难题,内容涵盖我国电化学学科的基础研究前沿、工程应用技术发展和人力资源规划等全方位的战略发展研究,为我国电化学学科的持续、协调、健康发展提出有针对性的政策建议。

      本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、研究机构的研究人员以及电化学相关企业的从业人员阅读,是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南,也是科技管理部门重要的决策参考,同时还是社会公众了解电化学学科研究现状与趋势的权威读本。

本书目录总序i前言vii摘要xiAbstractxix第一章电化学学科概述1第一节电化学学科的内涵与战略地位1第二节电化学学科的发展趋势和现状6第三节电化学学科相关产业的发展现状和瓶颈技术分析13第四节未来10年电化学学科重点发展的研究方向21第二章电化学基础理论和研究方法发展战略研究27第一节国内外现状分析27第二节国际合作与交流分析60第三节发展趋势分析61第四节存在的主要问题与解决思路66第五节重点发展方向建议71第六节总体战略布局建议74第七节发展机制与政策建议76本章参考文献76第三章电化学材料科学与技术发展战略研究82第一节国内外现状分析83第二节国际合作与交流分析92第三节发展趋势分析94第四节存在的主要问题与解决思路101第五节重点发展方向建议114第六节总体战略布局建议117第七节发展机制与政策建议118本章参考文献120第四章电化学能量储存科学与技术发展战略研究124第一节国内外现状分析125第二节国际合作与交流分析144第三节发展趋势分析145第四节存在的主要问题与解决思路148第五节重点发展方向建议158第六节总体战略布局建议163第七节发展机制与政策建议166本章参考文献168第五章电化学能量转换科学与技术发展战略研究172第一节国内外现状分析173第二节国际合作与交流分析199第三节发展趋势分析201第四节存在的主要问题与解决思路209第五节重点发展方向建议217第六节总体战略布局建议220第七节发展机制与政策建议221本章参考文献222第六章电化学分析和生物科学与技术发展战略研究227第一节国内外现状分析228第二节国际合作与交流分析268第三节发展趋势分析272第四节存在的问题与主要解决思路275第五节重点发展方向建议281第六节总体战略布局建议285第七节发展机制与政策建议286本章参考文献288第七章电化学工业发展战略研究307第一节国内外现状分析307第二节国际合作与交流分析318第三节发展趋势分析318第四节存在的主要问题与解决思路326第五节重点发展方向建议339第六节总体战略布局建议357第七节发展机制与政策建议359本章参考文献363第八章电化学人力资源发展战略研究364第一节电化学人力资源现状365第二节电化学人才培养建议370关键词索引372

(本期编辑:王芳)

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