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第一作者：钮峰

通讯作者：涂文广教授，周勇教授，邹志刚教授

通讯单位：香港中文大学（深圳）理工学院

论文DOI：10.1021/acscatal.2c00433

全文速览

通过醇和胺的C-N偶联是工业中合成不同有机胺的重要反应路径，而这一过程往往需要在高温高压等较苛刻的条件下进行。因此，本工作中，我们设计了一种基于CdS-Pd单原子体系催化剂用于实现高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应获得二级胺。通过实验研究发现，Pd与CdS表面的悬挂S原子原位配位形成单一Pd-Sx物种。该催化剂的可见光催化C-N偶联的二级胺产率接近100%，同时释放出可观的绿色能源氢气（11.8 mmol gcat-1h-1）。机理研究与分析表明，苯甲醇上脱去的H+较容易吸附到长寿命的•Pd-Sx中间态物种而形成H-Pd-Sx中间体。最后，吸附的H又容易脱附，加成到苄烯苯胺的N上，实现氢转移，完成亚胺的加氢过程，得到最后所需要的二级胺产物苄基苯胺。整个过程中，H的吸脱附可以循环进行，因此Pd-Sx配位物种可以作为有效的氢转移的桥梁实现加氢过程。此外，该光催化剂体系具有较好的底物适应性和循环能力。这一工作将为温和条件下实现高效C-N偶联反应提供一种新的思路。

背景介绍

随着工业的发展与进步，有机胺广泛应用于农业、医药、家居、军工等领域，其合成在工业生产中有着越来越明显的重要性。基于“借氢机制（氢转移）”，通过胺与醇的C-N偶联被认为是一种较为绿色的合成有机胺的理想路径。这一过程主要包含醇的脱氢、亚胺的生成以及亚胺的加氢这三个主要步骤。其中醇的脱氢是整个反应的决速步骤。然而，基于这一机制，在热催化合成有机胺的过程中存在一些缺点：（1）醇的脱氢决速步骤需要较苛刻的条件（高温高压）；（2）易发生过度偶联，使得产物分布广，不利于分离；（3）反应中使用的催化剂多为高负载量的负载型贵金属催化剂（如Ru/Al2O3、Pd/Al2O3、Rh/Al2O3等），成本较高。因此，开发出高效低成本的催化剂具有一定的挑战性。近年来，利用光氧化还原技术实现常温常压条件下有机胺的合成引起了广泛的关注。研究者们通常采用一些贵金属有机配合物分子进行均相催化反应，但反应后催化剂难以进行分离，在实际工业生产中难以大规模应用。而采用传统的半导体光催化剂进行多相催化反应，则可以有效解决这一难题。然而仅仅依靠半导体本身的催化能力，很难达到较高的催化活性，实际应用过程中往往需要通过负载一些助催化剂或表面修饰来提高催化性能。近些年，单原子催化被认为是较有前景的领域。单原子催化剂由于其独特的电子结构和较高的原子利用效率而表现出优异的催化活性，被广泛应用于光催化水分解制氢、二氧化碳还原、固氮和有机物降解等领域。因此，我们课题组设计开发了一种单原子光催化剂CdS-Pd，该催化剂可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应，获得具有工业应用价值的二级胺。同时反应过程中释放出清洁能源氢气。这一工作将为温和条件下实现C-N偶联反应提供一种新的途径。

本文亮点

1. 本工作通过Pd原子与CdS表面的悬挂S原子原位配位制备了一种CdS-Pd的单原子光催化剂，该催化剂可以实现高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应获得近100%产率的二级胺N-苄基苯胺以及较高的产氢活性。

2. 实验和理论计算结果证实了，相比于Pd纳米颗粒助催化剂负载的CdS，单一Pd-Sx物种能够有效捕获光生电子，使其具有较长的寿命，而且氢在Pd-Sx物种上的吸脱附能力较强，从而可以作为有效的氢转移载体实现亚胺的加氢，得到目标产物二级胺。

3. 此外，在优化的反应条件下，该催化剂具有较好的稳定性，以及对不同醇类和取代胺的C-N偶联反应具有良好的底物适应性。

图文解析

本工作中，首先我们采用水热法制备了六方晶系结构，颗粒尺寸约为50 nm的纳米球形CdS，其带宽约为2.2eV（ 图1 a ）。随后，在可见光催化C-N偶联反应过程中加入PdCl2溶液原位合成单原子催化剂CdS-Pd SAs。作为对比，我们采用浸渍法制备了Pd纳米颗粒负载的CdS催化剂CdS-Pd NPs。从图1b的XPS图谱可以看出，光催化反应后的CdS中事实上存在Pd元素。结合能336.7 eV和342 eV分别对应Pd 3d5/2和Pd 3d3/2，表明Pd以2+价态形式存在，而非单质态。因此，我们可以初步推测反应后，Pd与CdS进行了一定的配位。

图1 CdS和CdS-Pd SAs单原子催化剂的结构表征

为了进一步确定反应后Pd的状态以及与CdS的配位环境，我们对样品分别进行了X射线精细结构谱（XAFS）和球差电镜的表征。从图3d可以明显看出反应后的CdS表面上的Pd物种既不是二价态也不是单质态，而是以一定配位的形式存在。通过对样品CdS-Pd SAs中Pd的K-edge EXAFS图谱进行拟合，可以得出Pd-S的配位数约为3（ 表1 ）。通过进一步的HAADF-STEM和 EDS mapping图可以清晰地看到Pd以单原子形式均匀地分散在CdS上（ 图1 e-j ）。因此，综合上述表征方法，我们可以初步证实在光催化反应过程中，PdCl2以Pd-S配位键的形式将Pd原子锚定在了CdS载体上，为光催化反应过程提供一定的反应活性中心。

表1 样品CdS-PdSAs中Pd的EXAFS拟合数据

CN , coordination number R , bonding distance σ 2, Debye-Waller factorΔ E0 , inner potential shift.

为了进一步研究CdS表面的S对催化反应的影响，我们首先对CdS进行了不同程度的表面修饰（400 oC高温煅烧：CdS-400；双氧水表面腐蚀：CdS-H2O2）。从图2 a可以看出，采用不同的手段修饰后，CdS的结构并未发生明显变化，仍然是结晶度较好的六方晶系结构。CdS、CdS-400和CdS-H2O2的能带分别为2.21、2.12和2.2 eV，即能带结构也未发生明显变化（ 图2 b ）。从图2 c和d可以明显看出， CdS通过表面修饰之后，Cd 3d和S 2p均向高结合能偏移，而且偏移程度随着修饰强度增强而增大。这主要是由于CdS修饰后产生了一定的S空位，使得表面部分Cd暴露，从而改变了Cd和S的周边电子云密度分布。

图2 修饰前后的CdS结构表征

在常温常压氮气气氛下，我们采用苯甲醇和苯胺的C-N偶联作为模型反应对所制备的催化剂进行可见光催化活性评价（ 图3 ）。首先我们确定了暗反应、无光催化剂以及只有PdCl2的情况下该模型反应没有任何催化活性。在添加PdCl2的条件下，我们对不同的半导体光催化剂进行了活性筛选，发现只有CdS能有效地进行光催化C-N偶联生成二级胺（N-苄基苯胺），产率高达1.48 mmolgcat-1h-1。而其他半导体催化剂在反应过程中只能催化生成亚胺（N-苄烯苯胺），且普遍产率较低（<0.12 mmolgcat-1h-1）。

图3 可见光催化C-N偶联反应的催化剂活性筛选

基于CdS对该反应的催化特异性，我们测试了其苯胺的转化率及产物的选择性随时间的变化曲线。从图4b可以看出，随着反应的进行，苯胺的转化率不断提高，当反应达到16 h后，底物苯胺几乎完全转化。随着反应的进行，亚胺（N-苄烯苯胺）的选择性不断降低，而二级胺（N-苄基苯胺）的选择性不断提高，表明反应过程中逐步完成了亚胺的加氢过程。

为了进行对比，我们采用浸渍法提前将Pd纳米颗粒沉积到CdS表面上并进行光催化活性评价。从图4c我们发现，沉积Pd纳米颗粒的CdS催化活性是单一CdS活性的4倍。这主要是由于Pd纳米颗粒作为助催化剂可以有效地提高光生载流子的分离效率。而当我们将Pd以PdCl2的形式加入到反应体系中时，催化活性是单一CdS活性的约6.4倍。而且产物中出现了二级胺（N-苄基苯胺）。也就是说反应体系中原位加入PdCl2能够促使该反应完成加氢过程，有效实现氢转移。因此，我们可以初步推断，光催化反应过程中Pd和CdS表面悬挂的S作用产生的Pd-S物种对实现C-N偶联起到至关重要的作用。此外，在反应过程中我们可以检测到氢气的生成。从图4d可以看出，单一的CdS在反应过程中几乎不产生氢气。而CdS-Pd SAs产氢速率达到11.8 mmolgcat-1h-1，是CdS-Pd NPs的约2.7倍，CdS的近10倍。这一结果也与苯胺转化率的差异相吻合。

为了验证CdS表面的S与Pd作用形成了Pd-S物种，从而提高了C-N偶联反应性能，我们对CdS进行了不同程度的表面修饰。从图4e可以明显看出，随着表面修饰的增强，反应的活性逐渐下降，而且产物苄基苯胺的选择性也随之下降。这也就意味着，当我们遮盖或者去除部分S位点，反应底物在催化剂表面的吸附性能下降，从而导致反应活性降低。另一方面，由于S空位的增多，使得Pd原子很难与S进行配位产生Pd-S物种，从而无法完成C-N偶联反应过程中的氢转移，也就不能得到饱和的目标产物二级胺N-苄基苯胺。

图4 可见光催化活性评价

为了研究在光催化反应过程中不同自由基的作用，我们进行了捕获实验。从图5a可以看出，当体系中加入叔丁醇和苯醌来分别捕获•OH和•O2-，反应的活性基本没有发生变化，说明体系中的这两种自由基对反应基本没有贡献。而当体系中加入草酸铵捕获光生空穴后，产率降为原来的1/3，加入过硫酸钾捕获光生电子后，产率降为0。这一结果表明，光生电子和空穴在光催化C-N偶联反应中有着重要作用。

接着，我们采用超快光谱（TAS）来揭示光照下不同催化剂的载流子衰减动力学。图5b为不同催化剂的瞬态吸收图谱以及拟合曲线。采用双指数模型拟合可获得两个弛豫时间τ1和τ2。Τ1代表导带电子到过渡态的捕获时间，τ2代表电子与过渡态或者价带空穴复合的时间。通过对比，CdS-Pd Sas的弛豫时间明显要长，也就是说，在反应过程中CdS表面单原子态的Pd配位物种Pd-Sx可以作为电子陷阱来捕获光生电子，提高载流子的分离效率，从而加速光催化C-N偶联。另外，从CdS导带转移到过渡态Pd-Sx中间体的弛豫时间更长，更利于氢原子的吸附。

为了研究不同催化剂对于H的吸附以及转移能力，我们做了一个N-苄烯苯胺加氢的模型反应。从图5c可以明显看出，对于单原子态的CdS-Pd SAs催化剂，N-苄烯苯胺较容易实现光催化加氢到苄基苯胺产物，而单质态的Pd（CdS-Pd NPs）催化剂无法实现加氢过程。这也证明了单原子态的CdS-Pd SAs可以很好地吸附H并完成氢转移，从而实现加氢过程得到二级胺N-苄基苯胺。

基于以上的机理表征分析，我们可以给出一个可能的反应机理和路径（ 图5d ）。光催化反应前，当体系中同时加入CdS催化剂和PdCl2时，PdCl2很快吸附到CdS表面上与表面悬挂的S原子形成Pd-Sx的配位物种。当CdS被光激发后，表面的Pd-Sx配位物种可以有效捕获光生电子，形成•Pd-Sx中间态物种，同时光生空穴能够脱去苯甲醇上的质子，将其氧化成苯甲醛。然后生成的苯甲醛与苯胺进行亲核加成反应，产生醇胺中间体。由于醇胺非常不稳定，很快脱水生成亚胺。苯甲醇上脱去的H+较容易吸附到长寿命的•Pd-Sx中间态物种形成H-Pd-Sx。最后，吸附的H又容易脱附，加成到N-苄烯苯胺的N上，实现氢转移，完成亚胺的加氢过程，得到最后的目标产物N-苄基苯胺。整个过程中，H的吸脱附可以循环进行，因此Pd-Sx物种可以作为有效的氢转移的桥梁实现加氢过程。此外，过多的吸附H可以从H-Pd-Sx上脱附产生H2。

图5 反应机理表征及推测

我们通过DFT模拟计算进一步验证了为什么单原子态的CdS催化剂CdS-Pd SAs可以很好地实现光催化C-N偶联生成N-苄基苯胺（ 图6 ）。结合EXAFS拟合结果，我们以Pd-S三配位的形式作为计算模型来研究H吸附和反应过程。对于催化剂CdS-Pd NPs来说，在位点1和2的H吸附能分别为-2.801 eV和-2.936eV，而催化剂CdS-Pd SAs的H吸附能为-1.954 eV。通过过渡态能量搜索，可以得出，Pd纳米颗粒负载的CdS-Pd NPs的加氢能垒为0.38 eV，而对于单原子态的CdS-Pd SAs来说，由于形成的Pd-Sx配位物种能够有效地吸附和脱附H，因此脱附的H直接加成到亚胺的不饱和C上，完成加氢过程。

图6 DFT模拟计算

总结与展望

总的来说，我们设计开发了一种CdS-Pd单原子光催化剂，该催化剂可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶联反应，获得具有工业应用价值的二级胺。同时反应过程中释放出清洁能源氢气。结合实验以及模拟计算，我们推测Pd在光催化反应过程中与CdS表面的S原位配位形成Pd-Sx中间物种，而这一中间体可以提高载流子分离效率以及有效地进行H的吸脱附，构成Pd-Sx •Pd-Sx H-Pd-Sx Pd-Sx的循环过程，实现氢转移，完成亚胺的加氢过程，得到目标产物N-苄基苯胺。整个过程中，Pd-Sx中间体可以作为有效氢转移的桥梁实现加氢过程。此外，该催化剂体系具有较好循环能力和底物适应性。这一工作将为温和条件下实现C-N偶联反应提供一种新的思路。

作者介绍

钮峰 ，博士毕业于法国里尔大学（法国国家科学研究中心）（导师Andrei Khodakov教授和Vitaly Ordomsky研究员）。2020年8月加入香港中文大学（深圳）邹志刚院士团队从事博士后研究。以第一作者在ACS Catalysis，Green Chemistry，Solar Energy Materials &Solar Cells等期刊上发表SCI论文12篇。目前主要研究方向为多相热催化、光催化能源转化。

涂文广 ，2015年获南京大学物理学院博士学位。2015至2020年在新加坡南洋理工大学从事研究博士后研究工作。2020年6月起任职于香港中文大学（深圳）理工学院。主要从事于低维光电材料表界面结构的精准设计与构建，实现太阳能驱动下的小分子转换，取得了一系列重要成果，迄今为止已在Nature Communications, Advanced Material, Advanced functional Material, ACS Catalysis, ACS Energy Letters等期刊上发表论文70余篇, SCI被引超过8000次，H指数为44。

周勇 ，香港中文大学（深圳）兼职教授。2009 年9月被南京大学物理学院按海外人才引进回国工作，加入南京大学环境材料与再生能源研究中心，聘为教授。主要从事：1、人工光合成二氧化碳转化为可再生碳氢燃料；2、光电材料的设计和构建；3、高效、低成本钙钛矿太阳能电池产业化应用研究。近五年来，以第一作者或通讯作者在 国际重要期刊上发表论文超过 60 篇，其中包括 J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Adv. Mater. (2 篇)、Adv. Funct. Mater. (1 篇)和 Nano Lett. (1 篇)，受邀以第一作者或通讯作者撰写 2 篇综述论文。近五年论文他引超过 1600 次，5 篇论文入选 Web of Science 统计的“过去十年高被引论文”, H 指数 46。光催化还原 CO2 研究成果作为主要研究内容，荣获 2014 年国家自然科学二等奖(排名第四)。主编三本英文专著（Springer 等出版社出版）。多次受邀在国内外相关学术会议上做邀请报告或主持会议。担任 Current Nanoscience 中国地区编辑和 Mater. Res. Bull.编委。主持承担国家基金委、 科技 部 973 项目等项目。入选教育部新世纪人才（2010 年）、江苏省首届杰出青年基金(2012年)。

邹志刚 ，2003年凭为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，国家重点基础研究发展计划“973”项目首席科学家，教育部创新团队带头人，2015 年当选中国科学院院士，2018 年当选发展中国家科学院院士。主要从事新型可再生能源与环境材料方面的研究，邹院士在光催化领域做出了卓越的贡献，被媒体称为“光催化领域的前行者”。邹志刚院士已在 Nature等国际一流期刊上发表论文 602 多篇，H指数 74，连续 5年入选爱思唯尔材料科学高被引学者，是材料领域有国际影响力的学术带头人。申请中国发明专利 200 多项，其中 83 项已获授权；承担两届国家重大基础研究计划 973 项目、国家自然科学基金中日合作项目、 科技 部国际合作重大项目等多项科研项目；获国家自然科学二等奖 1 项、江苏省科学技术一等奖 2 项，作为第一完成人获第 46 届日内瓦国际发明展金奖及阿卜杜拉国王大学特别奖各 1项。

名： 可再生能源

Renewable Energy

Resources

主办： 辽宁省能源研究所

周期： 月刊

出版地：辽宁省营口市

语种： 中文

开本： 大16开

ISSN： 1671-5292

CN： 21-1469/TK

邮发代号：

8-61

历史沿革：

现用刊名：可再生能源

曾用刊名：农村能源

创刊时间：1983

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SOLAR ENERG是四区期刊。

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《太阳能》（Solar Energy）（CN11-1660/TK，ISSN 1003-0417）创刊于1980年，月刊，是由中国科协主管，中国可再生能源学会主办，《太阳能》杂志社有限公司出版，国内外公开发行的国家级可再生能源专业科技杂志（国内发行2-164，国外发行Q285）。

内容定位于“广义太阳能”，办刊宗旨为“加强学术交流，推动太阳能科技创新，促进实现太阳能产业化、市场化应用发展”。

《太阳能》杂志内容被《中国核心期刊（遴选）数据库》、《中国知网》、《中国学术期刊（光盘版）》、《中文科技期刊数据库》、《中教数据库》、《国家科技期刊开放平台（OA出版）》、《中邮阅读网》、《超星域出版》等大型专业科技期刊数据库全文收录，永久收藏。

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主要报道我国太阳能、生物质能、风能、氢能、海洋能及地热能科学技术研究成果，登载原创性的学术论文、研究报告、实验仪器和实验技术等。《太阳能学报》既重视基础性研究成果，也重视科技成果产业化应用，是我国中文核心期刊，也是我国可再生能源领域的权威性学术期刊。

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建筑学专业创办于1986年，隶属于原建筑与结构工程系。1993年改为本科五年制，1994年隶属于原建筑工程与力学学院，发展为建筑学系。2002年成为学校直属系。2005年并入新成立的人居环境与建筑工程学院。历经20年的发展，已汇集了海内外知名大学及著名设计院的诸多教授及兼职教授来院授课，已形成了一只治学严谨、勇于探索的老、中、青相结合的教学和科研队伍。

近年来建筑学系在教学和科研方面取得了丰硕成果，多次在全国建筑设计大赛及陕西省土建专业毕业设计中获奖。在研和完成的科研课题30余项，其中包括国家、省部级科研基金项目6项。2005年11月，建筑学系与中国建筑学会、亚洲都市环境学会联合主办了“2005亚洲都市环境的可持续发展”国际学术会议，会议取得了圆满成功。

本科学历旨在培养掌握建筑设计基本原理与方法，以及建筑历史与理论、城市规划与景观设计、建筑技术、经济与法规等相关知识，具备从事各类建筑设计及群体规划的能力，能够在建筑设计与城市规划、建筑工程管理、建筑教育与研究等领域从事有关建筑设计、研究、教学和管理等工作的专业人才。开设的主要课程有：建筑设计、建筑历史与理论、城市规划与景观设计、建筑结构、建筑物理、建筑材料、建筑构造、建筑设备、建筑经济等同时在学习期间还有大量的美术、测绘、设计等实践实习环节。

研究生学历旨在培养加强对人类生存环境与可持续发展的理解与把握，树立建筑与环境的整合思维理念，使学生具有坚实的学术理论基础、系统的专业知识和较强的从事科学研究的能力，掌握职业建筑师所具备的知识与技能，了解工程项目的全过程，在建筑设计实践中具有创新与解决实际问题能力的高级研究型人才。开设的主要课程有：现代建筑理论、建筑创作与研究、现代城市规划与城市设计理论、传统建筑设计理论、绿色建筑技术、建筑计划与设计方法等。主要研究方向：公共建筑设计、居住建筑设计、城市设计、传统建筑设计理论与方法、绿色建筑学、建筑计划与设计方法、建筑空间与环境艺术设计。 土木工程专业创建于1907年，是国内创建最早、实力最强的土木工程系之一，后发展成为土木工程学院，成为交通大学四大学院之一。在百年发展历程中，造就了一大批如张光斗院士、 周镜院士、孙钧院士、赵国藩院士、刘建航院士等高水平的专家学者以及林同炎、杨裕球等国际著名结构师。

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土木工程专业历经数十年的发展建设，已经拥有了一支在学历、年龄、学术、层次结构上相当好的师资和科研队伍。

本科学历旨在培养能掌握工程力学、流体力学、结构工程和岩土工程的基本理论，掌握工程规划与选型、工程材料、结构分析与设计、地基处理、施工技术和施工组织方面的基本知识，掌握工程测量、测试与试验的基本技能，了解项目管理知识，获得工程师基本训练的高级技术人才。开设的主要课程有：理论力学、材料力学、结构力学、流体力学、土力学、工程地质、基础工程、工程测量、钢筋混凝土结构、钢结构、房屋结构、地下结构、桥梁结构、道路勘察设计与路基路面结构、施工组织与管理、建设项目管理等。同时，在学习期间，还有严格的地质实习、测量实习、施工实习以及力学、材料、结构试验及土工试验等实践实习环节。

研究生学历旨在培养能掌握坚实的理论基础和系统的专门知识，治学严谨，学风良好，熟悉所从事研究方向的科学动态和发展方向，具有一定实验技能和生产实践知识，具有从事科学研究工作或独立担负专门技术工作能力的高层次科学技术人才和高等学校师资。开设的主要课程有：结构稳定性理论、高等结构动力学、结构可靠性分析、结构非线性分析、高等土力学、土动力学、应用数学基础等。主要研究方向：新型材料与新型结构体系、结构物的可靠性评估、故障诊断与检测技术的研究、古建筑的结构性能与保护技术、岩土工程地质灾害防治与岩土材料性能的研究。 建筑环境与设备工程专业创建于1985年，历经20年的建设与发展，目前已初具规模，拥有一支在学历、年龄、学术层次和结构上搭配合理的教师和科研队伍。近五年来承担了国家863项目、973国家重大基金项目、国家自然科学基金、省自然科学基金及横向科研课题三十余项，论文发表200余篇，专利4项，出版专著7部，教师出国合作研究、讲学及参加国际会议10多人次，5人获得美国United Technologies Corporation容闳科技教育奖，多人担任国际、国内学术团体理事及学术期刊编委。迄今为止，已培养本科生七百多名，硕士研究生六十多名，博士生十余名。

本科学历旨在培养有扎实的自然科学和工程技术基础、掌握动力工程及土木工程学科方面的基础理论知识和建筑环境与设备的专业知识、能在建筑环境与设备工程领域从事相关的工程设计、技术开发及技术经济管理的高级专门人才。开设的主要课程有：传热学、工程热力学、流体力学、材料力学、理论力学、建筑环境学、供热工程、制冷原理与设备、通风与空气调节工程、建筑设备自动控制、机械设计基础、电工电子技术等。同时，在学习期间，还有大量的金工、生产实习，工程、科研训练等实践实习环节。

研究生学历旨在培养在动力工程及工程热物理学科领域内，掌握坚实的基础理论和系统的专门知识，熟悉建筑环境与设备工程研究方向的科学技术发展动向，具有从事科学研究工作或独立担负专门技术工作能力的高层次人才。开设的主要课程有：高等流体力学、高能传热学、高等工程热力学、数值传热学、高等燃烧学、非电量电测技术、环境工程化学基础、流体力学的近代进展、燃烧学的近代进展、工程热力学的近代进展、振动力学等。研究的主要方向：制冷领域的节能与环保、制冷机械工作过程及可靠性、热力系统节能与控制、传热传质强化技术与数值模拟、新能源与可再生能源的开发及利用、建筑物理环境分析与绿色建筑技术。

目前，专业主要从事的科研方向有：制冷与空调技术的节能技术、地板采暖技术、建筑能量分析与模拟、建筑外环境与室内空气品质、建筑物理环境分析与绿色建筑技术等方向的研究。 环境科学与技术系于2006年4月成立，目前正在建设阶段。中国科学院安芷生院士和中国工程院孙九林院士为该学科双聘院士。根据西安交通大学与中国科学院地球环境研究所签署的合作协议，该所5名研究员（2名杰出青年基金获得者）已经聘为该系实质性兼职教授，将承担部分课程的教学以及研究生培养工作。

环境科学与技术系依托于2个研究平台，发展具有西部特色的环境科学，分别是城市气候与人居环境研究中心”、 “西安加速器质谱中心”。由教育部、科学院以及科技部联合资助的国家大型科学仪器平台“西安加速器质谱中心”位于西安交通大学国家大学科技园，已经投入运行。上述中心的成立及运行为发展环境科学与技术学科提供条件，其基础是本科生的培养。

本学科旨在围绕人居环境科学这一综合性的学科需要，发展具有人居环境科学研究特色的环境科学专业及学科。主要研究环境科学与管理的基本理论与知识，掌握环境污染控制与生物治理的基本知识、环境监测与环境质量评价的方法、以及环境规划或管理的基本技能。旨在培养德、智、体全面发展，具有扎实的数理化、计算机及外语基础，具备环境科学的基本理论、基本知识和基本技术，能在科研机构、高等学校、企事业单位及行政部门等从事科研、教学、环境保护和环境管理等工作的高级专门人才。主干学科为环境科学，相关学科包括环境工程，环境化学，化学工程，生物工程，土木工程。开设的主要课程有环境科学导论，环境化学，环境生物化学，环境微生物学，环境规划与管理，环境质量评价，环境系统监测，环境工程设计等。在学习期间还有化学实验、大气污染控制实验、水污染控制实验、化工原理试验、环境监测综合实验、专业综合实验、课程设计、金工实习、生产实习、毕业设计（论文）等大量的科研、实践环节。