尊龙凯时AG旗舰厅《全球工程前沿2023》报告为2023年度全球工程前沿研究项目研究成果，以数据分析为基础，以专家研判为核心，遵从定量分析与定性研究相结合、数据挖掘与专家论证相佐证、工程研究前沿与工程开发前沿并重的原则，凝炼获得93个工程研究前沿和94个工程开发前沿，并重点解读28个工程研究前沿和28个工程开发前沿。

　　报告共涉及机械与运载工程， 信息与电子工程，化工、冶金与材料工程，能源与矿业工程，土木、水利与建筑工程，环境与轻纺工程，农业，医药卫生和工程管理 9 个领域。

　　本文以下就报告中涉及化工、新材料、新能源、生物制造等相关内容做部分摘录，如需全文，请添加小编微信yang262147获取。

　　现阶段的相关研究多着眼于光/电驱动的体外多酶固碳和光/电驱动的全细胞固碳，主要集中于：① 生物固碳新途径的开发；② 新型生物相容性光/电催化材料的制备；③ 生物催化模块与光/电催化模块的耦合适配工程。未来，应着重于以下几个方向：① 开发原位表征新技术，阐明生物催化剂与人工催化剂的能量交流机制，加深对二者耦合过程的认知；② 开发高效率、高适应性的优质生物催化剂，实现核心酶和核心菌种的技术自主化，提高产品的产量；③ 针对原料供给过程强化到产品分离工程，开发工业化高端反应器和分离介质，建立成熟的装备与技术体系。

　　冶金流场混沌非线性强化技术结合了流体力学、混沌理论和非线性科学的知识，旨在揭示冶金反应器中流动 – 传递 – 反应耦合与放大规律，阐明流体混沌特性、介稳流 场结构失稳与化学混沌强化的内在联系。该技术的研究主要通过构建混沌流与温度场 – 流场均匀性关联模型，精准描述混沌流与温度场 – 流场均匀性之间的关系；基于混沌混合特性与场均匀性的耦合机理，以及流场多尺度结构的形成、输运和转化过程，通过调控气泡群的混沌行为，实现对热质传递效率的提升。

　　CO₂电催化转化的研究主要集中在以下几个方面：① 利用原位光谱技术监测 CO₂还原反应（CO₂reduction reaction，CO₂RR) 中的关键中间产物，同时 结合理论计算构建CO₂催化转化过程中的反应网络；② 设计开发高性能电催化剂，调控优化催化剂结构， 研究催化剂结构与 CO₂RR 性能之间的构效关系；③ 合理设计优化电极结构以及调节整个电解反应器来控制反应体系的运行，利用其模块化特点实现调控优化，使得各指标达到工业化应用要求。

　　研究的主要内容包括：① 通过观测催化剂原子结构在 活化以及反应过程中的动态变化，揭示与反应关联的结构活性位点，指导催化剂的精准设计与制备；② 在 分子尺度揭示催化剂表界面反应物吸附和解离规律，确定中间产物物种与时空分布规律，厘清反应转化路 径；③ 将多种原位技术联用并利用精准设计的模型催化剂进行性能关联，厘清关键化学反应过程中结构与化学活性位点。

　　未来的相关研究方向包括：① 研究冷态模拟多相体系流场定量可视化表 征新方法，针对基于相似性理论建立的大型装备冷态试验模型，采用流场特征高速动态记录、流场示踪粒 子图像测速（particle image velocimetry，PIV）等可视化分析技术，结合图像解析处理、混合时间测定、混 沌数学分析等定量测量技术，实现非线性流场混合程度的定量表征；② 研究气 – 液 – 固多相体系中电 – 磁 – 流 – 热 – 颗粒 – 组分多场耦合机制，包括实际冶金反应器内的各种传递过程和冶金化学反应规律，模拟和 解析单一及多个关联反应器的协同耦合规律，从而实现优化完善既有流程，并开发新的低碳节能冶金工艺 流程和反应器。

　　极端低温环境用特种合金的理性设计与制备中的各个阶段尚有很多科学问题待深化研究，主要集中于以下几个方面：① 极端低温服役过程中相结构稳定性的精准调控，主要包括特种合金在极端低温服役条件下奥氏体层错能等的影响机 制，获得有效调控相稳定性的手段，并阐明其对于不同低温服役性能的作用规律，进而指导合金成分设计 与制备加工过程；② 极端低温特种合金冶炼 – 锻造 / 轧制 – 热处理 – 焊接一体化过程中的多相组织演变及 强韧化机理，包括极端低温特种合金全流程制备条件下的正 / 逆相变原理、元素配分机制、析出过程调控机理，以及低温形变机制，最终建立典型工艺过程、多相组织构成与力学性能之间的构效关系；③ 针对复 杂低温环境，需研究强腐蚀、宽温域、交变载荷等多场耦合服役条件下的损伤失效模式与机理，主要包括 多重力学物理性能在低温下的相互匹配机理，明晰热力疲劳、磨损、腐蚀等耦合作用下的低温损伤失效模 式机理，建立合金服役性能与失效模式机理之间的构效关系，并反馈指导特种合金设计与制备工艺优化。

　　目前，该方向的研究主要集中于以下几个方面：① 先进的电极 结构设计；② 简单的电极合成策略；③ 集流体的设计、选择及与活性物质的复合；④ 活性物质面载量及 体积密度的提升；⑤ 电极整体导电性的提升；⑥ 正、负电极的匹配即全电池的构筑；⑦ 柔性电极、厚电 极等的开发；⑧ 电极的工作机制即电化学反应机制的揭示等。实现具有高活性物质载量的集成式一体化电 极结构设计及其简单、高效制备是该领域研究亟须解决的技术瓶颈。

　　低密度钢，又称轻质合金钢，是通过向钢中添加 Al、Mn、C 等轻质元素从而使合金密度降低的一种 轻量化材料。研究表明，每加入 1% 的 Al，可使钢的密度降低 1.3%。低密度钢在车辆、船舶、航空航天及 军事领域的轻量化与安全服役等方面有着广泛的应用前景。但是由于 制造成本、表面质量、应用技术等方面的原因，制约了高强高韧低密度钢的进一步开发和应用。目前，国 内外对高强高韧低密度钢的研究以 Fe–Mn–Al–C 体系低密度钢为主，主要研究方向包括单一铁素体钢、铁 素体基双相钢、奥氏体基双相钢和奥氏体钢四大类，在 Fe–Mn–Al–C 体系低密度钢的成分设计、组织调控、 服役性能等方面仍然存在很多科学问题有待深入研究。

　　目前，关于单原子合金催化剂的研究主要聚焦在三个方面：① 探索简单有效、 可控调节活性位和周围原子之间相互作用且能实现原子对高配对比例的方法；② 结合原位精细结构表征分 析方法和理论计算方法在原子水平上明确单原子合金结构与催化性能之间的构效关系及催化机理，为单原 子合金催化剂的理性设计提供理论依据；③ 开发出贵金属载量可调的单原子合金催化剂宏量制备方法，搭 建其进行工业应用的关键桥梁。超分散单原子合金催化剂以其低贵金属载量、高催化活性、选择性和稳定性， 将为工业催化的发展提供重要引擎。

　　目前，对于选择性离子限域传质膜的研究主要有两个方向：一是分离机理的基础性探究，尝试从通 道几何结构及界面物理化学特性等方面探究微观尺度下传质动力学与选择性的影响因素，以助推膜的设计；二是从膜材料入手，通过设计诸如共价有机框架（COF）、金属有机框架（MOF）等具有不同尺寸、官能团、 界面电荷的材料来实现高速传质。未来，将实现限域通道中的原位可视化表征，建立理想传质模型与实际 分离膜性能间的有效连接，通过制造具有更高传质速率和选择性的限域传质膜，完成从实验室规格到规模 化生产的过渡，实现产业化发展。

　　本征安全电池的研究方向 主要包括以下方面：一是提高电化学稳定性，防止在充放电过程中发生副反应、电解液分解或电极材料不 稳定等问题；二是提高电池在高温环境的热安全性，包括开发不可燃（或阻燃）电池材料、升级电池热管 理系统，防止过热引发电池失控、燃烧或爆炸等安全问题；三是提高电池的机械稳定性，抵抗外部冲击及 电池内部应力，避免电池破裂或内部短路等安全隐患；四是采用固态电解质、水系电解液等替代传统的有 机电解液，以提高电池的安全性和稳定性，并解决有机电解液存在的燃烧、泄漏等问题。

　　未来技术发展方向包括：① 构建多能互补与储能系统相结合的冶金用能体系，形成风 – 光 – 水 – 氢与冶金余热余能的 互补清洁供能系统；② 开发生物质燃油旋流喷吹深度还原冶金熔渣新技术，以可再生能源替代化石能源还 原剂；③ 开发生物质燃油旋流雾化强化燃烧技术，提高大分子、低热值的生物质燃油的燃烧供热效率，以 可再生能源替代化石燃料，从而实现冶金用能结构清洁低碳化，从全生命周期和源头减碳角度提高冶炼用 能水平、降低碳排强度。

　　化工新材料的开发周期长达 15~25 年，投入巨大，高度依赖专家经验。随着领域日益成熟，领域内数 据呈现出总量海量但细分体系内稀疏的特点，依靠专家经验总结新材料规律愈发困难，亟需一场研究范式的变革。2023 年初，ChatGPT 横空出世，LIaMA、Claude、文心一言和悟道等紧随其后，拉开了大语言模型（以下简称大模型）的时代。大模型规模大，具有涌现性和通用性，有望应用于化工领域，以加速新 材料的设计与制备。大模型能在文献信息提取、材料结构生成、材料性质预测、合成条件优化和智能化表 征等环节全面加速新材料的开发。

　　金属基复合材料 (metal matrix composite，MMC) 是以金属或合金作为基体，与一种或多种增强相结合 而成的多相材料。MMC 兼具金属或合金基体和增强相的特性，具有高比强度、高比模量、低密度和良好 的导电性及导热性等优异性能，在航空航天、汽车、电子信息、国防工业等领域得到了广泛应用。目前， 国内外的材料开发主要集中在以下方面：① 基于材料基因工程的复合材料高通量制备与表征技术；② 材 料成型过程中构型与界面的精细化控制技术；③ 耐热铝基复合材料大尺寸构件短流程制造技术；④ 高温 服役环境下复合材料演变规律、性能退化机理和控制技术。

　　开发和推广化工分离过程节能新工艺、新技术和新装备，降低化石能源消耗，提高能量利用效 率，充分利用高新技术提升改造传统化学工业，才能提高生产效率，推进节能减排，促进产业升级。未来， 面向能量密集型化工过程的分离技术发展将主要聚焦于以下两个方面：① 开发可替代的高效分离新方法如分子识别分离技术、分离过程耦合与强化技术等，针对不同待分离体系的特点选择合适的分离方法，进 而提升分离过程能量利用效率；② 开发可再生的输入能源新形式（如太阳能、生物质能、绿氢、绿电等）， 降低分离过程中化石能源的使用比例，通过开发使用可再生能源的新型分离技术，向电气化方向发展，推 进化工产业向绿色、可持续、高效化升级。

　　该技术的发展方向主要集中于以 下三方面：① 继续深入研究炉窑热过程非线性混沌强化基础理论及技术，进一步完善最低燃耗强化供热 法则及模型，解决供热不精准的问题；② 针对熔池熔炼炉喷溅严重、设备寿命短的问题，开发富氧旋流 混沌搅拌供热技术，解决富氧利用不充分、自热不足能耗高的难题；③ 针对加热炉供热不精准、燃料燃 烧不完全的问题，开发加热炉旋流混沌燃烧及强化供热制度调控技术，解决金属工件加热均匀性难以精准 化的难题，保证加热质量、降低能耗，实现均匀精准加热。

　　光伏技术的独特优势极大地拓展了光伏 技术的应用领域，使其能够融入城市基础设施、消费电子等领域，如光伏建筑一体化、便携式可穿戴设备。未来，光伏技术发展需要关注以下四个方面：① 更好地融入新型能源电力系统，支撑智慧城市建设；② 与储能技术相结合，实现绿色能源的稳定供应和高效利用；③ 光伏组件的回收利用，推动行业绿色可持续 发展；④ 对于新型光伏技术，降低成本、提高寿命、突破量产将是技术突破的关键。

　　目前，合成氨工业是在高温、高压条件下窄负荷连续进行，不仅高能耗、高 碳排放，而且与光伏、风电等清洁能源的波动性特点不匹配，难以进行绿色升级。未来，低温低压条件下 绿氨宽负荷制备技术的发展主要聚焦于以下几个方面：① 开发具有高本征活性的催化剂，降低 N2 在催化 剂表面的吸附能垒，提升低温下 N2 的活化能力；② 在传统的热催化反应器中引入变频的电、磁等外场， 利用外场变化调节催化剂活性中心电子结构，打破吸脱附限制；③ 研制快速响应装置与系统，拓宽低温、 低压条件下合成氨的负荷区间。

　　钢铁制造过程中，约 2/3 的碳排放来自高炉炼铁 过程，降低高炉炼铁过程中的碳排放是全球钢铁企业研发的热点。富氢碳循环高炉炼铁技术通过向高炉中 喷吹富氢气源（如焦炉煤气），用含氢还原气替代传统高炉中焦炭和煤的作用，同时辅以炉顶煤气循环（top gas recycling，TGR）技术和 CCUS 技术，将高炉煤气中的 CO、H2 循环再利用，将 CO2 脱除后再利用， 从而最大程度减少高炉炼铁过程中的碳排放。富氢碳循环高炉炼铁技术不改变现有高炉工艺流程结构或炉 料结构，是当前传统高炉炼铁碳减排的首选技术。

　　目前常见 的传统能源有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等尊龙凯时AG旗舰厅，其在能量密度、安全性及生产成本等方面存在局限性， 而铝 – 空气电池凭借高电压（理论值 2.7 V）、高比容量（2 980 mAh/g）、高比能量（8 100 Wh/kg）、高 安全性、材料来源广泛、无污染等优点，已成为最具潜力的电化学储能体系之一。具体来看，未来铝 – 空气电池基础研究及工业应用方面需实现三大关键 技术突破：① 电池改性技术手段（含负极合金化冶炼、电解液添加剂改性等）及相应表 / 界面反应机制机理；② 金属燃料电池各组件耦合模型及后续优化技术手段，简化电池结构，便于规模化应用；③ 持续开发铝 – 空气电池全流程低碳、安全、低成本的关键技术，并有效开发利用电池副产物，提升铝 – 空气电池应用带来的经济效益。

　　高纯金属、合金及其材料主要应用于半导体、无线电子、航空航天、军工等尖端科技领域。其制备方 法包括化学提纯和物理提纯。高纯金属、合金及其材 料提纯制备需解决的核心问题主要包括：① 材料中杂质元素的稀散赋存与分布机制；② 元素相似性及其 选择性分离动力学，需计算基体与杂质之间的相互作用力、吸脱附热以及动力学平衡参数等；③ 材料纯化 过程杂质物相形态转变规律、迁移行为以及提纯过程参数调控。

　　新型生物航空燃料分子是由生物质原料经化学键精准断链再定向合成的具有精确结构及特殊性能的燃 料分子，在航空领域具有重要的发展潜力。目前关于新型生物航空燃料的研究主要聚焦于：① 生物燃料 分子设计，深入研究燃料分子结构与理化性质之间的构效关系，建立大通量燃料分子理性设计及筛选方法， 结合生物质原料分子结构特征快速获得目标分子结构库；② 高效合成方法，创建原子利用率高、温和高效的合成路径，实现生物质原料到航空燃料的全流程高收率转化；③ 高活性低成本催化剂，深入解析催 化反应机制，明确催化剂结构与生物质催化转化性能的构型关系，开发具有高活性和选择性的贵金属低载 量超分散催化剂或非贵金属催化剂；④ 燃料规模化制备，在现有基础上持续改进催化剂和工艺，开发集成工艺，优化反应器结构，提高反应效率、降低能耗。面向航空领域碳减排的急迫需求，需要加快生物航 空燃料的精细设计、高效合成及工程化放大研发步伐，突破可全组分替代石油基航煤的新型生物航空燃料 制备技术。

　　电解水制氢高度依赖淡水资源，而淡水资源的短缺严重制约了电解水制氢的发展。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水来制取“绿氢”是未来科技与产业发展的重要战略方向。海水成分极其复杂，涉及 92 种化学元素和大量微生物、固体杂质等，且其电导率低、成分波动大，易导致电解过程发生副反应竞争、 催化剂失活、膜堵塞等问题，给电解系统的高性能、稳定性、高效率和兼容性带来了巨大的挑战。

　　电力多元转化技术（Power-to-X）是利用可再生能源（太阳能、风能、水力等）产生的绿电制备绿氢、 绿色甲醇、绿氨及其他产品的过程。这一新兴技术可实现间歇性可再生能源到可储存化学能的转变，有助 于大规模可再生电力的消纳，并将可再生能源链接至工业、交通、能源动力等部门，为全球经济脱碳和提 供非化石能源产品提供合适的解决方案。

　　近十年来，随着电动车 和储能技术等的快速发展，对电池能量密度提出了更高的要求，金属锂二次电池重新进入人们的视野， 量研究瞄准能量密度超过 400 Wh/kg 的锂硫电池等新体系，但负极枝晶生长和低循环效率两大问题仍需要 加以解决。优化集流体构造、修饰电极表面或采用金属锂复合材料都能有效抑制锂枝晶生长。另外，锂负极的性能也与所用电解质休戚相关。通过电解液组分调制可以改善固体电解质界面相的性质，抑制锂枝晶并提高库仑效率；尤其是使用有机 – 无机复合或无机固体电解质有望从根本上解决金属锂负极的存在问题。随着新材料的不断涌现、电池结构和充电机制的优化，高能金属锂二次电池最终有望得到实际应用。

　　实现动力电池的安全快充离不开电池管理技术与本征材料改性的协同发展和调和融汇。在电池管理 技术方面，需重点发展电池智能温控系统和算法优化充电协议，实现对单一电芯温度的灵活调控，并降 低系统成本与体积。完善算法网络，实现对电池状态的实时反馈、对负极析锂（钠）行为的准确监控、 输出高效的大功率充电协议。在本征材料改性方面，应进一步设计三维电极结构、功能化黏结剂与弱溶 剂化电解液，并构建无机组分为主的 SEI，大幅度降低电池内阻，抑制析锂（钠）行为。此外，负极材料 由碳基到硅基直至磷基逐步递进。在原有基础上，通过电解液与界面工程改进 SEI，实现对析锂（钠）形貌的正向调控，直至充分利用快充条件下的析锂（钠）容量。最终，该集合多元技术的动力电池有望实现电动车的 3 分钟“加油式”快充电 – 充满电性能。

　　生物质材料是源自植物、动物、微生物等生命体的有机高分子物质，其组成主要包括碳、氢、氧三种元素。这类材料在未经过修饰的情况下容易被自然界中的微生物分解为水、二氧化碳及其他小分子产物，从而再 次进入自然界的循环。这种特性使得生物质材料具备显著的可再生和可生物降解优势。常见的生物质材料 有木质素及其衍生物、改性淀粉、甲壳素及其衍生物、茶皂素核脂肽类物质等，其在纺织浆料、印染助剂、 纺织品功能整理、纺织印染废水处理等领域具有广阔的应用前景。生物质材料来源广泛、结构复杂，这在一定程度上阻碍了生物质材料的开发应用。如何用更为低碳、 环保的方法高效提纯，如何通过化学或物理的改性使其更符合人们的需求，如何开发其在纺织领域更广泛 的用途，均是当下研究的热点。

　　根据国际能源机构（IEA）的定义，生物质是指利用光合作用固碳形成的各种有机体，是典型的可再生碳 中性资源。因此，将生物质作为重碳工业原料的全部或部分替代物，对实现碳中和目标具有重要的战略意义。生物质组分较为复杂，各组分的物理结构和化学性质差异较大，因此传统的生物质利用技术策略通常需要 将生物质的各组分分离，再进行分级分质利用。然而，生物质各组分的高效分离较为困难，分离过程中需要严苛的实验条件并消耗大量化学品，这会进一步导致碳排放问题的产生。此外，分离后无法利用的生物质原料组分也会造成资源浪费和环境污染问题。因此，在工业生产中实现大宗生物质全组分的高效利用有 望进一步解决碳排放问题。未来，需重点研究开发对各类大宗生物质具有普适性的预处理技术和加工成型 技术，在满足实际生产使用需求的同时，实现资源碳中和目标。

　　纤维素基材料是指以纤维素为主要原料，经过一定的化学或生物等处理后制备成的具有多种特性的功能材料。纤维素基材料具有生态环保、可降解、可再生等优点。常见的纤维素基抗菌材料有竹纤维、壳聚 糖纤维、麻纤维、木棉纤维等。其在纺织领域中具有广泛的应用前景，如制作医疗用品（手术衣、医用敷料等）、家居用品（毛巾、床上用品等）等。

　　纤维素基抗菌材料的主要研究方向包括：① 纤维素纤维的改性，通过改变纤维素纤维的表面结构、极性、疏水性等性质，提高其抗菌性能；② 抗菌剂的合成与添加，合成新型抗菌剂，或将现有抗菌剂加入纤 维素纤维中，实现抗菌功能；③ 纤维素纤维与其他材料的复合，将纤维素纤维与其他具有抗菌功能的材料 复合，制备出具有更好抗菌性能的复合材料；④ 纤维素基抗菌纺织品的加工与生产，研究纤维素基抗菌纺织品的生产工艺和技术，提高生产效率和产品质量。

　　木质纤维素作为第二代生物质底物，是非食用性的可再生资源。因此，若将木质纤维素作为原料用于乳酸的生物合成，可有效解决上述问题。然而，木质纤维素的结构及组分较为复杂，在乳酸生产过程中大多通过批次发酵的方式进行，这存在发酵时间长、产率低、易产生杂质等缺点。细胞工厂技术可通过对复杂生命体的工程化重构，采用生物合成路径来生产目标产物。因此，从工业应用和经济性两方面考虑，细胞工厂技术是实现木质纤维素可持续生产乳酸大宗 化学品的有效途径。未来，仍需进一步研发木质纤维素可持续生产乳酸的细胞工厂技术所配套的原料预处理、生物脱毒工艺，并进一步提升生物合成阶段的生产效率，以实现乳酸生产的全过程连续化。