能源新技术新兴产业发展动态与 2035 战略对策

现在的大企业，因为这伯些大企业都会用虚拟电厂去制造衟一些东西，会选择投资电厂。

尽管虚拟电厂已经得到许多专业人士的认可，并在解决各种问题方面发挥着至关重要的作用，但我们不能否认该模型尚未成熟。虚拟电厂之所以受欢迎，有两个原因：一是许多地区因高温而缺电，二是能源市场正在发生巨大变化。电力市场的建立将恢复电力的商品属性。电网公司不再是主要的受电弓，而是分销商。电力交易由知名生产商和用户直接协商。

同时，根据市场的实时供需情况，确定不同时间、不同空间的电价，随着越来越多的居民和工厂需要大量电力，许多省份面临电力等诸多问题，尤其是电力供应不足。以今年四川的高温为例，为了平衡发电量，四川采取了不定期停电和工厂停产的方法，为人民提供电力。与电力调度相关的虚拟电厂再次引起了销售市场的关注。近日，中国首个虚拟中心管理方法中心——深圳虚拟电厂管理中心揭牌成立。

国内虚拟电厂进入快速发展的新阶段。面对虚拟电厂中的主要因素，虚拟电厂已成为人们消费和需求的主要趋势，也可以促进未来的创业发展。这是为了通过不同燃料的有效组合，促进电网的长期发展，从而保护国家环境，促进新能源技术的改革和创新。这将大大提高新能源的有效利用。                   

鉴于当前的能源短缺，有效的改进也将加强对智能网络的需求感，这只会刺激相关技术的不断创新和突破。面对网络和电网问题，这是一个非常重要的未来发展趋势，它还可以解决交通领域的各种不恰当现象。

随着社会经济的发展和人口的增多，我国已经成为世界石油需求增长的引擎. 据国际能源署预测, 中国石油需求增长将占世界石油需求增长的1/3. 而我国的能源结构中, 煤炭占接近70%, 石油不到25%. 未来长期的能源资源瓶颈成为影响我国未来经济可持续发展、能源安全保障、和谐社会建设的严峻挑战. 在此基础上, 国家提出立足国内资源, 拓展国外资源, 提高能源利用效率, 加大新能源与可再生能源开发力度, 保障我国经济社会发展所需的能源需求. 随着石油储存量的减少,同时也为了减少环境污染, 探索一种既廉价又丰富的原料。人类已经极其关注自己的生存环境,为了适应环境可持续发展的趋势,催化和环境友好将会被赋予更多更新的含义。催化技术事关能源资源开发、转化与利用的方方面面, 是新能源与可再生能源开发的关键, 又是改善能源产品质量、提高能源利用效率的主要方式, 更是实现节能减排、资源循环利用的主要途径, 催化将在我国未来能源领域肩负非常关键的角色.

2.就环境与催化这一专题谈谈你的认识

催化剂工业中的一类产品，用于借助催化作用来消除环境污染的工艺。自20世纪70年代汽车排气催化净化技术商业化以后，此类催化剂与石油炼制催化剂、化工催化剂（包括石油化工催化剂和无机化工催化剂）并列为催化剂工业中的三大类产品。环境保护用催化剂通常有较高的催化活性，能将浓度本来很低的污染物经催化转化为无毒物；能承受较高的作业负荷，以节约催化剂用量和治理污染的设备投资；能在室温或不太高的温度下作业，以减少治理污染所需的能耗。被处理的气体，通常含有粉尘、重金属、含硫化合物、含氯化合物、酸雾等，因此要求催化剂的抗毒能力较强,化学稳定性好,具有足够的催化剂寿命。有时，要求有良好的催化剂选择性不致因副反应所生成的产物造成二次污染。在环境治理工程中，由于被污染物的组成、浓度、温度等常有变化,故要求催化剂能在较宽的反应条件下保持其效率,这与典型的化工生产中所用的催化剂而有所不同的。

3.就能源消费结构与环境保护这一专题谈谈你的认识

能源结构与环境问题密切相关。1.化石能源优化利用。提高能源转化效率。油品深度加工与资源优化利用技术。催化汽油改质和高辛烷值组分生产技术，包括脱硫、加氢异构化和芳构化新技术。柴油深度脱硫和改质技术，包括加氢脱硫和非加氢（氧化脱硫和吸附脱硫等）技术。液化石油气芳构化技术。天然气的优化利用技术。高效透氧膜材料与技术的研发。廉价合成气制备催化剂与新技术。二甲醚合成催化剂与新工艺技术集成。F-T合成新集成工艺与新技术。天然气制氢催化剂与新工艺和新技术。高效透氢膜材料与技术；持续开发可再生能源与核能。基于煤气化的多联产系统煤炭高效洁净利用多联产的关键技术。多联产系统的耦合/集成/优化的核心技术。喷射流外循环浆态床反应器的技术。液体燃料合成的高选择性催化体系研制。替代燃料（如含氧化合物）的高选择性催化体系研制；

2.CO2减排技术。分离、富集、输运和处理可行性途径的分析与评估。风险评价，在理论和模拟实验上对方案进行优化与选择。高效率的化石燃料制合成气（CO+H2）的技术开发。二氧化碳化学合成经济化工产品的研究。我国碳循环及综合排放体系的研究 3.CO2处理1. 吸附微藻和增强CO2固定化的中性混凝土的研究；2.大规模的CO2运输和深海掩埋；

3. 采用膜反应器的高级化石资源工艺中的CO2回收；4. 控制温室气体的低成本生物涤气器；5. 吸收和利用CO2的新体系；6. 利用煤层吸收从煤层气中连续脱除回收CO27.美国盐水湖掩埋CO2的最佳地质环境；8. 深水区域处理CO2的实验评估； 9. 高温变压吸附PSA工业生产气中吸收CO2；10. 降低温室气体排放的IGCC发电厂合成气和酸气中CO2的消除和回收； 11. 一套新的CO2分离系统；12. 吸收碳和最大甲烷排放控制的垃圾掩埋法。

一、充分利用太阳能：太阳能的利用有被动式利用（光热转换）、光化转换和光电转换三种方式，是一种使可再生能源被利用的新兴方式。使用太阳电池通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能。使用太阳能热水器利用太阳光的热量加热水。利用太阳光的热量加热水并利用热水发电。利用太阳能进行海水淡化。

二、充分利用核能。核能最大的用途是发电，还可以用作其它类型的动力源、热源等。

三、充分利用地热能是由地壳抽取的天然热能，运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法就是直接取用这些热源，运用钻探的手段来获取地热能。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。

四、充分利用水力资源。通过水力发电工程开发利用，将水流体中含有的能量天然资源，转化为人类可以利用的能源，例如水力发电。

五、充分利用风能。风力发电就是应用风能的一个典型例子，风能本身环保，低碳，但是地域限制较大，如何利用好风能一直是我们需要探讨的课题。风能可为温室气体减排带来巨大潜力。陆上风能已在许多国家得到迅速推广，更多风能并入供电系统在技术上也不存在不可逾越的障碍。

六、充分利用生物质能。依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物及畜禽粪便等五大类。其蕴藏量极大，仅地球上的植物，生产量就像当于人类消耗矿物能的20倍。在各种可再生能源中，生物质是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料 。

七、充分利用海洋能。海洋能是海水运动过程中产生的可再生能源，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、盐差能等。

八、充分利用地热能。

九、充分利用潮汐能。

十、充分利用盐差能。 盐差能是两种含盐度不同的水体相混时放出的一种能量。其广泛分布于陆地江河入海处。两种水体的含盐浓度相差越大，它们之间产生的盐差能就越多。

十一、可燃冰。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，可燃冰是替代石油、天然气的一种重要能源。但暂时不可大范围使用，还在研究中。

十二、细菌发电，即利用细菌的能量发电。作为一种绿色无污染的新型能源，细菌发电经过一个世纪的发展，逐步受到世界各国的重视。

地源热泵空调的优点：

高效节能，稳定可靠

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40％－50％左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。

无环境污染

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，真正的实现了节能减排。

一机多用

地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

维护费用低

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

使用寿命长

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。

要比普通空调高35年使用寿命。

节省空间

没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。

总之，地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域

近日，自然科学基金委根据《国家自然科学基金“十三五”发展规划》优先发展领域和新时代科学基金深化改革战略部署，在深入研讨和广泛征求科学家意见的基础上，发布了“十三五”第五批8个科学部63个重大项目指南，化学加特别转载化学科学部的8个重大项目指南，供大家参考。

跳转阅读→

2020年化学科学部共发布8个重大项目指南，拟资助6个重大项目。项目申请人申请的直接费用预算不得超过1800万元/项。这8个重大项目分别是：

（1）非常规激发染料的构效调控及产品工程科学基础；

（2）分子光子学材料与激发态过程调控；

（3）电解水制氢与绿色化工耦合的科学基础；

（4）固体结构的化学调控与功能强化；

（5）基于纳米孔道电荷传输的单分子单细胞精准测量；

（6）面向重要化工分离的金属-有机框架材料设计及过程调控机制；

（7）面向学科前沿交叉的金属卡宾化学；

（8）锂同位素萃取分离的科学、技术与应用。

“非常规激发染料的构效调控及产品工程科学基础”重大项目指南

染料对光的选择性吸收是其本征特性，因而总是与光记录、光存贮、光显示及光成像直接联系，是多个新兴产业的关键化学品。随着相关领域发展，染料分子在常规条件下的激发态行为和能量弛豫规律逐步被揭示出来。但在极端条件下，特别是在高光子能量（如极紫外）和低光子能量（如近红外、超声波、偏振光）等非常规条件下，对染料分子激发态的形成、调控和应用研究极为薄弱。极紫外可以提供高的分辨率、超声波能提供更深的穿透力，这些赋予了非常规激发染料特殊的应用功能。因此，拓展传统紫外-可见光波长范围的染料波长，开展非常规激发和吸收染料分子的研究，对于光刻、显示等新兴产业发展，具有重要意义。

一、科学目标

项目拟围绕非常规激发染料结构-性能调控的关键科学问题，特别是在高能量光子（极紫外）和低能量光子（近红外、超声、偏振光）等特种激发条件下，染料分子对激发能的吸收和响应规律，通过分子结构精准设计、调控激发态的能量释放途径（如发光、电子转移、能量转移、催化反应等），实现光刻、显示等新兴产业领域的产品分子设计创新，为支撑相关产业发展提供科学与技术基础。

二、研究内容

（一）非常规激发理论及分子体系设计。

非常规激发染料的激发效率是实现功能的基础。重点研究在高光子能量或低光子能量条件下，不同分子的激发响应性，包括形成激发态的效率、光引发的电子转移、能量转移或化学反应效率；揭示分子结构与目标性能(包括耐受性)之间的规律，形成若干性能优异的染料母体分子平台，为产品分子设计提供理论依据。

（二）极紫外光刻材料设计及制备。

聚焦极紫外光敏分子结构与极紫外光吸收截面的关系，探索极紫外光引发的新型分解或聚合反应、过程中电子或能量转移形成的催化机制，研究新型结构的极紫外光敏分子及其光刻胶的制备、生产过程对超高分辨率性能的影响因素，形成新型极紫外光刻胶的关键生产工艺，为其规模化生产提供科学技术基础。

（三）功能染料工程化及其在光电材料中的应用基础。

分子的稳定性是染料工程化应用的前提。需揭示“光-热-机械”复杂稳定性与染料分子结构的映射机制，包括不同光能量、热效应和机械效应对染料稳定性和应用性能的调控规律，研究染料分子结构对光刻胶流变学性能和对光引发剂光化学反应性能的影响机制，探索提高彩色光刻胶分辨率的有效途径，建立与终端产品服役条件相一致的工程技术体系和可靠性评价准则。

“分子光子学材料与激发态过程调控”重大项目指南

光子学是研究以光子作为信息和能量载体的科学，涉及光的产生、传输、探测、放大和显示等应用。和无机光子学材料相比，分子光子学材料在光学性能、柔性加工和生产成本等方面展现出独特的优势。设计合成同时具备优异光学性质和电荷输运能力的分子材料，从微观角度深入认识分子材料中的激发态过程，结合器件构型设计优化制备工艺和性能指标，将推动分子光子学材料在相关产业尤其是新型显示领域的应用。“分子聚集态下特异性激发态过程对光子学性能的调控机制”与 “不同光子学功能中涉及的激子与光子的相互作用原理”是分子光子学研究中的关键科学问题。“新型光子学分子的理性设计与高效合成”与“光子学功能导向的分子材料组装与器件集成”是本领域的重大需求。本重大项目旨在联合分子材料合成、激发态理论、光谱学和光电器件等方面的科学家进行攻关，从微观角度深入认识分子材料中的激发态动力学过程，结合器件构型设计，优化制备工艺和性能指标，发挥分子光子学材料在光学性能、溶液加工、柔性集成等方面展现出独特的优势，推动分子光子学在相关产业尤其是新型显示领域的应用。

一、科学目标

以有机分子特有的“单线态和三线态激子过程调控”为主线，聚焦新材料合成制备和高性能器件集成两大方向，解析微纳体系中激发态物理化学过程，指导新型分子光子学材料骨架结构及其微纳晶体的设计合成，拓展高性能有机微纳激光和有机电致发光在显示器件方面的应用。以此为基础，形成在国际上有重要影响的研究团队，提升我国在分子光子学前沿交叉方向上的整体水平。

二、研究内容

本项目围绕“分子光子学材料的结构-性能关系”开展以下研究：

（一）高性能光子学材料的分子设计与可控合成。

以调控分子能级与激发态过程为导向，设计合成兼具高载流子迁移率和高固态发光效率的分子光子学材料；通过调控分子间弱相互作用充分运用其组装性能，制备形貌、结构和性能可控的分子聚集体，为发展分子光子学奠定材料基础。

（二）有机微纳体系的激发态调控与过程研究。

准确理解分子光子学材料体系中激发态动力学、载流子扩散动力学和能级调控等理论，揭示其中载流子传输性能和光学特性之间的平衡和制约关系；通过光、电、磁和热等多种外场手段强化激发态下的激子传输与电子转移和能量传递过程，以及激子和光子的强相互作用与耦合过程。

（三）高性能有机微纳激光材料与器件。

在新型分子光子学材料中实现覆盖可见光谱的受激辐射，设计新的微纳结构单元作为光学谐振腔，得到激光波长和模式可调可控的有机微纳激光；开发微纳晶定向图案化制备新工艺，发展微纳激光阵列大面积集成方法，探索基于分子光子学材料的激光平板显示技术。

（四）有机分子电致发光与显示器件。

以分子光子学的激发态动力学为指导，设计制备高激子利用率和窄谱带发射的发光器件；构建全新的器件模型，探索激发态传输及电荷陷阱效应等基本物理过程和规律，完善和发展电致发光和分子器件的相关理论，展示分子光子学材料在显示原型器件上的应用。

“电解水制氢与绿色化工耦合的科学基础”重大项目指南

面向可再生能源高效利用和绿色化工的重大需求，针对电解水与绿色化工耦合所涉及的关键科学问题，研究电解水过程中活性物种的生成与调控、电解水与有机物氧化还原反应的耦合过程，探究多尺度流动与传递对电化学过程的影响机制，构建若干规模化电解水与有机物合成耦合反应体系，形成能源化学与绿色化工领域新的发展方向。

一、科学目标

通过高效电解水耦合加氢/氧化的催化过程，实现碳-氢键、碳-卤键、碳-碳键以及碳-氧键等的定向转化，揭示电/光电作用下电极界面氢氧等中间物种的生成机理及其与有机物反应途径，建立选择性合成高附加值产物的实验方法和理论体系，构建电解水耦合化工产品绿色合成系统；发展新型光电化学反应器，阐明多相反应过程中的流动、混合、传递对能量与物质转化的作用规律，实现新能源利用与绿色化工耦合的应用示范。

二、研究内容

（一）电解水耦合氧化与高效制氢。

针对规模制氢与大宗化学品生产的耦合，研究多相界面活性氧生成与转化机理，以电极组成和界面性质调控活性氧在阳极表面的浓度、活性和能量，匹配有机物在电极表面的传质吸附特征和氧化反应能级；发展新型结构化电极，实现有机相、水相和气相在电极表界面的均匀分布、高效传递与反应耦合；研究有机相对隔膜性能的影响，提高隔膜稳定性；研究阳极活性氧的快速转化对水分解制氢过程的促进作用，并在工程化研究装置上实现耦合氧化高效制氢。

（二）电解水耦合加氢与氧化。

针对阴极制氢与耦合加氢之间的转换，利用活性氢和活性氧分别对有机底物进行加氢和氧化，合成高端精细化学品，提高能量和物质的利用效率；研究阴极活性氢的生成及其析氢/加氢反应的竞争机制，提高目标产物选择性；根据阴极和阳极反应的反应机制和动力学特性，设计新型电极及反应器，优化操作条件、探索成对电合成反应体系中电解反应与产物分离的协同机制。

（三）光电协同分解水与氧化/加氢耦合。

研究光促电解水制活性氧/氢和有机物选择性氧化/加氢的新型绿色合成方法，探究光电极对光子的能量利用以及动力学，揭示光促电解水的本征活性和动力学过程对有机反应选择性调控的内在机制，进一步促进水分解和有机物氧化/还原的耦合。

（四）制氢耦合绿色化工的过程强化与系统集成。

研究多尺度流动、混合和传递特性对电化学反应的影响，获得从电极、单池到系统的反应与传递耦合规律；研究反应与分离耦合机制，揭示系统内单元结构与性能的影响，确定单元间的衔接原则，建立电化学耦合反应系统的放大模型与设计方法，实现1~2个耦合反应体系工程化示范。

“固体结构的化学调控与功能强化”重大项目指南

固体物质在信息、能源、国防、机械、电子、医学等领域具有广泛的应用。物质的性能不仅取决于化学组成、相态、晶体结构，还受限于局域结构、化学有序、电荷有序、磁有序等。针对关系国家重大需求的电输运材料、铁电/铁磁体、储能材料等，利用先进大科学装置，多层次揭示固体材料结构与功能间的关系，运用化学手段调控固体结构，实现性能显著提升或获得新功能。

一、科学目标

通过极端条件合成、化学压力（Chemical Pressure）、缺陷设计和复相匹配等手段，实现对固体结构的化学调控；充分利用现代表征技术和方法，解析固体的晶体结构、局域结构、电子结构和声子结构等；创制系列新型电输运、高性能铁电/铁磁、高效储能等新型固体功能材料。

二、研究内容

（一）极端条件下特殊功能固体材料的合成。

在高温、高压或超强外场下，合成常规条件下难以得到的特殊结构和功能的固体材料；发展基于次级结构、堆积模块等合成砌块的可控合成方法，在多元体系中筛选超导、快离子导体、高能量密度等特殊功能材料，揭示其反应历程。

（二）化学压力调控结构与强化功能。

利用相界面应变、异质化学元素引起的局域结构畸变、离子调控等化学压力方法，实现晶体结构及晶格应变的微观尺度调控，建立化学压力调控结构的精准化学合成方法，揭示固体中元素分布、化学有序、电荷有序、化学成键和晶格变化，阐明结构-相态-性能的关联。

（三）缺陷调控结构与新型电输运固体。

通过化学掺杂、拓扑反应和玻璃结晶等多种途径，系统研究固体材料中缺陷的可控引入及其对晶体结构、电子结构的影响；结合多种技术手段建立缺陷组成、浓度、分布等表征方法；研究缺陷对固体材料中电子和离子输运性质的影响；从化学成键、离子间相互作用阐述固态离子导体中缺陷稳定与离子迁移机制；基于缺陷在性能上的构效关系，设计合成新型电子/离子导体等材料。

（四）复合固体结构调控与电极材料功能强化。

发展复合固体结构精准化学调控的新方法，研究单组分及复合固体结构与电子态之间的协同效应，以及轨道耦合、电荷转移、局域结构等对复合结构的影响规律；多层面认识能源复合固体材料的构效关系，提出高效电极材料等复合固体的设计原则，合成具有协同功能增强效应的电极复合材料。

“基于纳米孔道电荷传输的单分子单细胞精准测量”重大项目指南

细胞中分子间通过电荷传输及能量有序交换发生的各类反应都是在极小且拥挤的空域和极短的时域内进行的，并控制着单个生物分子功能的执行、反应的精准调节以及能量的高效传递和转化等。纳米孔道限域空间提供了最逼近实际生命体系中分子反应行为的场所，可实现在极短的时域内进行单个分子的动态测量。然而，电子、质子、离子及分子在纳米孔道限域界面内的传输，常常表现出与宏观界面上完全不同的限域增强特性。因此，在生命分析中利用纳米孔道的立体限域空间及瞬态电荷传输特性，可获得极高的时空分辨，实现单分子、单细胞等单个体的精准测量，为进一步探索基础生命化学领域新现象、新规律和新知识提供了新途径。

本重大项目拟聚焦于具有纳米级孔道结构这一最基本的限域电荷传输界面，探索传感界面结构、电荷传输、测量精准度之间的内在关系，提出原创的纳米孔道测量新原理，将生命分析测量从宏观界面推进到纳米限域界面，从分子整体行为测量推进到单个分子、单个细胞差异性研究，有望成为现有基础分析化学研究方法和理论进一步发展的突破口，催生和引领蛋白质单分子测序、生物化学反应动态测量以及高通量疾病早期筛查等方向的研究。

一、科学目标

项目围绕“具有纳米级孔道结构”的限域电荷传输界面，突破现有对生命体系微弱瞬态过程测量的瓶颈，建立原创的纳米孔道界面分析化学理论与方法，构建具有单分子灵敏度和亚纳米空间分辨能力的原位、无损纳米孔道电荷传输测量器件，在单分子、单细胞水平上揭示电子、质子、离子、分子等相互作用及其能量转化过程，以期在单分子、单细胞水平上探索基础生命化学。

二、研究内容

（一）纳米孔道测量界面的可控构建。

以生物蛋白质、无机材料、有机大分子等为基本构筑单元，探索多元纳米孔道化学结构特征与电荷载体间的相互作用，发展空间限域电荷场扰动方法及可控单分子界面修饰方法，增强纳米孔道测量界面内多个探针基团的协同测量效应，从而构建每一个基团都精确可控的纳米孔道测量界面。

（二）纳米孔道单个体测量的机制研究。

探索传感界面结构、电荷传输、测量精准度之间的内在关系，调控限域空间内电子、质子、离子、分子的传输过程，建立基于纳米孔道界面电荷传输测量的特异性信号增强放大新机制，实现高通量、定性及定量测量生物分子的结构变化、分子间相互作用变化及其引发的纳米孔道界面内电荷分布差异和瞬态能量变化等。

（三）纳米孔道单细胞单分子原位测量研究。

发展适用于单个活细胞内单个分子可控递送和原位分析的方法，建立纳米孔道单细胞成像测量的新方法和谱学研究的新策略，深度解析由单个分子引起的单细胞表型特征；发展纳米孔道单分子计数与光学实时检测新技术，实现生理浓度范围单分子光学检测，阐释生物分子相互作用的单分子反应机制和动力学，从而在单分子、单细胞水平实现疾病早期筛查。

（四）纳米孔道界面的高时空分辨测量方法及系统。

突破现有生命分析方法的时空测量极限，发展具有高时空、高能量分辨，实时原位、无损的电子、电荷、离子测量新方法、新器件及新系统，在纳米孔道限域测量界面上实现单个生物分子反应中间体、反应路径、反应选择性等的瞬态测量，为蛋白质单分子测序以及重要生物化学反应研究提供技术支撑。

“面向重要化工分离的金属-有机框架材料设计及过程调控机制”重大项目指南

分离是化工生产的关键技术之一。以烷烃/烯烃分离（如乙烷/乙烯等）、同分异构体分离（如正构烃/异构烃等）、二氧化碳捕获为代表的工业分离过程，其规模均在千万吨级，关系经济社会发展及国家战略需求。传统热驱动分离过程能耗高，若以非热驱动的吸附或膜分离过程替代热驱动分离过程，可望大幅度降低能耗。金属-有机框架材料拥有庞大的组分/结构单元库，其可设计性为吸附与膜分离带来机遇。然而，金属-有机框架材料目前尚未实现分离工业应用，亟待在基础科学与工程技术方面取得突破。本指南以重要的化工分离过程为导向，拟围绕金属-有机框架材料设计、吸附材料/分离膜可控制备、过程调控机制等关键科学问题，实现高效、高选择性、高稳定性分离，推动分离科学与技术的理论创新与技术进步。

一、科学目标

以金属-有机框架材料设计制备与重要工业分离过程调控为核心，揭示吸附分离与膜分离机理，建立分离材料组成-结构-性能设计方法；提出吸附材料与分离膜晶粒/晶界调控策略，突破分离通量与选择性的博弈限制；开展放大制备与组件集成研究，为金属-有机框架材料吸附与膜分离的工业应用提供科学支撑。

二、研究内容

（一）金属-有机框架材料精准设计与制备。

基于计算化学、“网格化学”及构筑模块策略，开展材料分子基元组成、拓扑结构、微观孔结构设计；基于先进晶体工程手段，实现材料高通量制备与结构表征；基于探针分子吸附，揭示材料与被分离分子相互作用机制及动态响应规律，建立理论与实验相结合的晶体材料构筑方法，创制具有工业应用前景的吸附与膜分离材料。

（二）金属-有机框架吸附材料结构调控与分离应用。

基于分子构筑单元设计，实现材料孔道结构、表面基团定向调控；基于单组分静态吸附与多组分动态分离的系统评价体系，开展吸附材料分离性能和构效关系研究，获得吸附分离热力学、动力学规律，反馈指导材料精准设计与吸附性能调控，实现烷烃/烯烃分离等体系的工业性试验；完成吸附材料的规模化制备及吸附分离过程的设计，为突破其在吸附分离工业中的应用提供科学基础。

（三）金属-有机框架分离膜可控制备与分离应用。

基于微区反应设计与分子组装技术，实现分离膜孔结构、择优取向、堆砌单元、晶界结构的精准调控，创新膜的工程化制备方法；在工业性实验装置上开展操作条件（温度、压力等）可控的多组分膜渗透分离在线评价，深入揭示膜分离机制，突破分离通量与选择性的博弈限制，获得工程放大规律；完成分离膜放大制备与组件集成设计，实现二氧化碳捕获等工业应用示范。

“面向学科前沿交叉的金属卡宾化学”重大项目指南

金属卡宾结构独特，其反应具有高效、多样以及可控等特点，受到人们的极大关注，相关研究对于合成化学、化学生物学以及有机材料等领域产生重要影响。对于金属卡宾的结构及其性质的理解不仅是金属有机化学基础理论研究的核心内容，也是发展具有高效性和多样性的合成反应的关键。金属卡宾丰富的反应性也为其在前沿交叉领域的应用带来新的机遇和挑战。

一、科学目标

针对金属卡宾的特性以及目前该领域发展的现状，本项目以探讨新型金属卡宾的发现及产生、结构以及反应性为出发点，发展基于金属卡宾的新反应、新方法，拓展其在功能有机分子合成、高分子聚合、药物合成以及化学生物学等交叉领域中的应用。通过项目的实施，推动合成化学以及结构理论的发展，并通过金属卡宾化学与生命科学的衔接为生物大分子化学修饰，化学蛋白质组学以及新药研发等提供新工具和新技术。形成一支在国际上具有重要影响的研究队伍，进一步巩固我国在金属卡宾领域的国际影响力。

二、研究内容

（一）新型金属卡宾的合成及其结构、反应性研究。

围绕过渡金属催化的卡宾转移机理研究，设计、合成、表征一系列活泼的金属卡宾中间体，包括铁卡宾、钴卡宾、镍卡宾、铜卡宾、钌卡宾、锇卡宾、钯卡宾、金属烷基卡宾以及金属双卡宾等；进一步通过实验和理论计算等手段，获取金属卡宾的结构信息和提出新的反应模式。研究含氟卡宾与含氟金属卡宾的合成、结构表征及其在含氟有机分子合成中的应用。

（二）基于金属卡宾的碳-碳键以及碳-杂原子键构建。

发展基于金属卡宾的碳-碳键以及碳-杂原子键构建新方法，包括金属卡宾参与的碳-碳键选择性切断与重组、碳-氢键的官能化、金属卡宾的不对称催化反应等。研究金属卡宾反应在高分子聚合中的应用，包括卡宾经典反应以及卡宾偶联反应为基础的高分子聚合，过渡金属催化的卡宾聚合、卡宾－烯烃共聚等。研究金属卡宾反应在高分子后官能化中的应用。

（三）金属卡宾反应在新药研发以及化学生物学中的应用。

发挥金属卡宾反应类型多样性的特点，开发具有生物兼容性的高效金属卡宾反应，为生物大分子化学修饰提供具有化学特征的新工具和新技术，为新药研发提供基础性和前瞻性的科学技术储备。包括应用金属卡宾参与的多组分反应实现生物活性小分子的多样性合成、应用金属卡宾反应对药物及生物活性分子进行后期修饰以及开发针对动态修饰的新药物靶标和相应的干预小分子、基于金属卡宾开发新一代化学蛋白质组学工具探针等。

“锂同位素萃取分离的科学、技术与应用”重大项目指南

锂同位素是十分重要的能源材料和国防战略物资。在清洁新能源领域，锂同位素是新一代钍基熔盐裂变堆、可控热核聚变堆和压水反应堆中的核心原料及调节剂。随着我国先进核能的快速发展，寻找更安全、更高效、易于工业化放大生产的锂同位素分离方法迫在眉睫。本项目采用“基础研究—应用研究—产业化”贯通式研究模式，开展有机萃取法分离锂同位素的科学、技术与应用研究。通过有机化学、物理化学、分离工程、人工智能、自动化控制等多学科交叉融合，解决萃取分离过程中的萃取剂分离效率低、稳定性不足、合成制备难、萃取分离机制不明确、萃取串级工艺难等重要科学与技术难题。促进有机萃取法分离锂同位素的新方法在基础理论和工程化应用方面上升到新的高度，促使原始创新技术在满足国家重大需求的任务中发挥重要科技支撑作用。

一、科学目标

本项目围绕锂同位素萃取分离过程中的科学、技术与应用关键问题，从发展新型、高效的萃取剂和可实用化萃取工艺为核心，解决从基础研究到产业化应用过程中的关键科学和技术问题。阐明锂离子在不同介质间转移的能量变化与动力学规律；揭示有机萃取剂分子结构与同位素分离性能的重要构效关系；阐明萃取剂分子在长期酸、碱、氧气以及辐照等条件下的降解规律；设计并优化萃取剂分子结构，发展若干具有自主知识产权的高性能新型萃取剂材料，锂同位素分离系数α大于1.030，在连续萃取分离条件下能稳定运行8000小时；发展串级萃取分离锂同位素的化工工艺，实现连续多级锂同位素的萃取富集浓缩，建设锂同位素萃取分离的工业化示范线。

二、研究内容

（一）萃取剂分子结构设计、合成与性能评价。

通过分子模拟软件设计并优化新型萃取剂分子结构；发展萃取剂分子的多样性、高效性合成方法，批量制备专用萃取剂；利用氟原子和含氟基团的独特效应，开展有机萃取剂、协萃剂、稀释剂等分子的高选择性氟化方法研究，建立含氟萃取剂、协萃剂、稀释剂等组成的独特萃取体系；建立萃取剂分离锂同位素的综合性能评价方法，考察萃取剂的分离系数、分配系数、萃取负载量等指标；调节并优化萃取体系的组分配方，揭示其对锂同位素分离效率的影响规律（包括协萃剂、改质剂、溶剂、盐效应等影响因素）；根据工业化应用的要求，结合萃取剂分子的多方面性能，综合评价并筛选得到综合性能优秀、适合于工业应用的萃取剂分子。

（二）萃取分离机制及萃取剂结构与性能关系研究。

研究液-液两相界面锂离子迁移动力学；阐明两种锂同位素之间极化率、迁移率和溶剂化作用的差别；锂离子在萃取介质中的迁移、扩散及溶剂化过程中的复杂结构和能量变化；锂离子在不同萃取介质间转移的动力学规律；采用计算机模拟两相锂离子传输过程中的动力学和热力学问题等。采用人工智能技术，研究萃取剂结构与溶解性、同位素分离系数、萃取能力、转相能力等之间的关系，并得出构效关系规律；利用人工智能技术，对萃取剂的结构与化学稳定性、辐照稳定性之间关系进行模拟，并得出构效关系规律。

（三）有机萃取法分离锂同位素的工业应用。

研究不同类型萃取剂在长期化工应用中的化学和辐照稳定性，阐述萃取剂分子的在酸、碱、氧化以及辐照等条件下的降解规律及降解产物；研究萃取法分离锂同位素的全流程串级萃取化工工艺；设计并优化同位素分离专用离心萃取机的机械结构及串级连接方式；研究串级萃取试验过程中的自动化控制技术、工艺稳定控制技术及产品的后处理纯化技术；在多级串级萃取试验装置系统上，进行锂同位素萃取分离的连续分离富集试验，连续稳定获得富集产品；建设锂同位素萃取分离的工业化示范线，开展工业应用示范的技术研究。

来源 | 国家自然科学基金委 编辑 | 化学

刘谏

（北京市地质矿产勘查开发总公司热泵工程公司）

浅层地热能是指地球表层岩土体、地下水中所蕴藏的热能，来自由太阳照射和地球深部核衰变。

浅层地热能开发应用，即是通过一系列综合技术及传热介质将浅层地热能提取并利用的一系列工作。具体讲就是：利用地热能交换系统（以地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统等）通过水源热泵机组（传热介质为水或添加防冻剂的水溶液）及建筑物内热交换系统将建筑物内所需要的能量与岩土体、地下水进行热交换，达到冬季供暖、夏季制冷并可全年提供生活热水的目的，也称地源热泵系统工程。按其地热能交换系统形式的不同可分为地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统、地表水地源热泵系统三种形式。

水源热泵机组的称谓依水泵而来，水泵是把低处的水提升到高处，水源热泵是把低品位的能量提升为高品位的能量。

地源热泵系统集成（一站式服务）包括：项目立项前期的可行性分析；选用地下水地源热泵系统还是地埋管地源热泵系统或地表水地源热泵的方式；水资源论证报告；水文地质条件分析；选用地下水地源热泵系统时的《井钻凿施工许可证》的审批；进行地热能交换系统及地上机房系统和建筑物内末端系统的设计；整个空调系统的施工；竣工验收；运行培训；售后服务。

浅层地热能开发应用经营模式多种多样，目前主要有：

（1）分散经营模式：项目建设单位同时与多个专业公司签订合同，如水源热泵机组供应商、地下水施工专业公司、设备安装公司、设计公司等。

（2）BOT模式：由投资商以BOT形式出资建成整个系统并负责系统的运行和维护，项目建设单位只需支付运行费、按合同约定年限后整个系统产权交付建设单位。

（3）系统集成模式：项目建设单位只需与一个系统集成商签订合同即可，由系统集成商完成全部系统的前期论证、设计、施工、售后服务等交钥匙工作。

浅层地能开发应用的核心技术首先是地下换热系统，地下水地源热泵系统项目要求抽上来的水必须完全回灌，地埋管地源热泵系统的项目要求尽可能大量的提取地下能量并维持冬、夏季的冷热平衡以保证运行的连续平稳性和对环境不造成影响；其次，要求整个系统搭配必须合理、平衡。

浅层地热能的开发应用，是集水文地质专业与暖通、给排水专业技术为一体的跨学科的一门综合应用科学。

地源热泵系统集成商是各企业为适应快速发展的地源热泵系统市场而采取的强强联合、优势互补的一种合作方式，是基于各企业核心能力资源的一种外部优化整合（组合）。企业将投资和管理的注意力集中到企业本身核心能力上，而一些非核心能力或自己短时间内尚不具备核心能力则依靠外部的合作伙伴提供。奉行的宗旨是：以精诚合作与您共生，以挖掘资源与您共赢。地源热泵系统集成商本身形成了一个“商业生态系统”，与自然界的生态系统不同的是，自然生态系统是由自然界的不同物种和物质构成的，而地源热泵系统集成商是具有钻凿井、抽灌井设计、暖通设计、水源热泵机组生产企业、循环泵、潜水泵、阀门、配电柜、控制柜、楼宇自控以及专业安装施工和售后服务队伍组成。这些大大小小涉及几十家企业构成了系统集成商。我们的客户（业主）只需面对地源热泵系统集成商一家，就可以满足实际应用要求，无需面对诸多企业。

北京地质矿产勘查技术院的华清集团是由七家专业类别齐全的子公司组成。集团公司有独立的水文地质设计单位，钻凿队伍，专业的安装施工单位，24小时的售后服务机构。北京市第一例水源热泵项目“华清温泉宾馆”就是由此单位与清华同方合作建成，几年以来，在北京热泵市场，竣工、在建项目、热泵面积超过一半，堪称系统集成商的楷模。

北京市地质矿产勘查开发总公司热泵工程公司也是一系统集成商。它以中国建筑研究院空调所，北京市地质工程勘察院、北京市创洁联科技有限责任公司，以及诸多水源热泵机组生产厂家、附属设备厂家组成的系统集成商。2002年以来，以集成模式做过的工程有：全国政协宾馆、十八里店中学、楼梓庄医院、来广营医院、华丽联合别墅、北京地面沉降监测中心、北京十七中初中部、酒仙桥实宝来基地、达园宾馆、友谊宾馆、海兴大厦、钢院附中等。

企业资源过度分散，各自为政，单一靠降低价格、恶意竞争是目前北京热泵市场一大隐患，也是诸多企业亟待解决的问题。在GB50366⁃2005地源热泵系统工程技术规范未实施以前，许多工程项目存在问题，产业的集中度和行业的约束度都很低。单个专业公司在热泵市场上打拼就如过江之鲫，单一完成跨学科的工程难度都非常大，困难都非常多。

解决的办法之一就是走集成商的路子，加强各企业间的合作。系统集成成员大多没有资本关联，各企业地位平等，独立运作、财务上独立核算。系统集成的模式，可以快速实施联合，各个单位又有相当的灵活性、选择性，符合目前企业注重速度和控制成本的要求。

如今的热泵市场，系统集成商已经成为企业优势互补，拓展竞争地位，超常规发展的重要手段。当前国家正处于企业创新、技术创新、保护知识产权，经济成分多元化的转型时期，许多企业在产权不甚清晰、治理结构不固定形势下，集成是一种快速取得业绩的捷径。集成各单位（企业）之间基于实力来确定地位，整合的效果取决于各方带入集成体系的能力，它们之间形成共赢的价值网。

20世纪90年代末，随着申奥的成功以及北京对大气环保的更高要求，北京市政府提出尽快开发应用可再生能源，清洁能源。取消燃煤锅炉，使首都北京天更蓝、水更绿。在政府的积极倡导下，资金快速流入热泵行业。北京清华同方、山东富尔达、沈阳一冷等国内企业迅速投入水源热泵主机生产，同时法国西亚特、意大利克莱门特、日本荏源等国外品牌也打入北京市场。这些主机设备厂家与地质钻探单位共同开发市场，使北京热泵项目快速发展起来。

1999年北京第一例水源热泵项目是由清华同方与北京地质勘查技术院共同合作的结果。

2001年第一例地埋管项目由北京地质矿产勘查技术院在立水桥的北京石化干部管理学院完成。

随着热泵市场的不断发展，也出现一些问题，地矿部门负责地下，主机厂家负责机房、安装单位负责末端、工作界点清晰。但系统调试阶段出现问题时，便形成铁路警察各管一段的局面，系统有问题，没有一家说自己的地段有问题，互相推诿。运行出现问题时，多数时候是负荷要求比较大的时段，无论是供暖还是制冷，业主可能要三五天甚至更长的时间查找原因，而更多的情况下是三大部分（地下、机房、末端）的搭配不合理、不匹配，如泵的扬程大小、管径的粗细、管线的拐弯走向等原因。

随着热泵市场的快速发展，人们对热泵行业的认识的提高，业主对系统集成商的需求也更加迫切，寻找一家有实力的企业，对整个项目的每个环节负责。出现问题，不用面对上百家大大小小的企业，即使是一个阀门，全部由系统集成商来承担风险。

图1 地温热泵系统实施的主要环节

图2表示2002年以后具有核心竞争力的地质单位，不再进行单一地下系统的分包施工，而是靠着核心技术，进行系统集成，为业主进行一站式服务。

图2 系统集成单位的运行模式

市场竞争中服务的砝码很重，共生营销在这一重要环节也大有可为。集成商可以在售前、售中、售后等环节合作共同进行宣传，使用示范、指导、代业主运行、换季检修等服务，而取得业主的青睐。

两个或者多个企业组成集成商，共同使用同一品牌，可以低成本的方式迅速提高知名度和美誉度。

1 集成商运作成功的关键四条

（1）合作企业：首先，企业当中要有核心技术（水文地质设计、勘查、钻凿）能力的单位。浅层地能开发应用的源头在地下，它是能源的出处，相当于天然气、煤炭、油等不可再生资源。所以地下系统是整个系统成败的关键。其次，要有一个经验丰富的设计单位，设计系统搭配合理。

（2）创造社会效益与经济效益共融：成员企业在热泵市场上目标统一，协同作战，共同打造集成体的品牌、形象。企业间各自的核心价值观不冲突，与业主一起达到多方共赢，为人类赖以生存的地球创造一个美好环境，为各用户单位创造一个廉价的运行费用。实现各企业自身的发展壮大。

（3）新意识：各企业的核心技术要创新，管理模式要创新，生产工艺要创新，企业只有不断摸索、不断创新，才能在热泵市场上立于不败之地。热泵市场中的企业好比逆水行舟，不进则退。联合体的企业互相选择、互相依存，既紧密又独立，灵活机动，需要一系列科学有效的集成体管理方法。

（4）合理分配合作利益：建立绩效衡量模式对合作进行考核和管理，对集成体各方面来说应该尽可能公平。当合同签订时，制定集成体合作的条款，风险共担、利益均享。

2 市场发展的瓶颈与出路

随着优化能源结构、提高能源利用效率要求的进一步提高，以及相关政策、法规的出台，热泵市场将迎来新一轮空前的发展。但目前，热泵行业存在以下问题，将制约热泵市场的发展：

（1）以往热泵市场中存在诸多问题：施工企业良莠不齐，设备厂商单纯靠低价竞争，各个环节脱节、缺乏有效管理，这种资源过度分散，各自为政的局面，势必会阻碍热泵市场的良性循环发展；

（2）热泵系统本身是一个多学科跨专业的科学体系，涉及到水文地质、工程地质、暖通空调、给排水以及电气、自控等多个专业，在整个系统实施过程中，除了各专业相互之间的配合，同时还存在核心技术的问题。在整个热泵系统中，地下系统、主机系统以及末端系统共同搭建成一个完整的空调系统，对于主机和末端系统而言，基于技术成熟、效果稳定，不存在技术难点，唯一要引起重视的问题是系统搭建的合理性。

（3）现在，业内人士普遍认识到：热泵系统正常运转的成败在于地下系统的稳定性和经济性。只有地下系统稳定，才能保证整个热泵系统的使用安全；也只有地下系统搭建的经济合理，才可以将热泵的经济性体现出来。

鉴于上述因素，突破瓶颈，唯一有效的出路就是走系统集成的路子，由具有实力的地质勘查企业牵头，组成集成商联合体，加强设备厂商、施工、安装企业之间的合作，并充分发挥自身企业的优势，强强联合，将优质与便利带给客户的同时，又成就了自身企业的发展，可谓是共赢的结局。

现谨以北京市地质矿产勘查开发总公司热泵工程公司的发展实例简要说明“系统集成”的经营模式：

北京市地质矿产勘查开发总公司隶属于北京市地质矿产勘查开发局，公司成立于1994年，多年从事工程地质、水文地质勘查、水源地勘查、地基基础、降水、地质灾害防范等研究工作，拥有一批多年致力于水文地质研究的专家及专业技术人员，掌握着北京市地下水及水文地质等专业领域的珍贵的第一手资料。

自1998年开始涉足热泵领域。与设备厂商联手，基于自身的优势，承担地下水系统的钻凿工作，先后承接了友谊医院、中国人民警察学院、菊儿胡同小区、首钢篮球馆等超过十万平方米的大型建筑物的水源热泵系统水源井钻凿。

鉴于自身在水源井钻凿方面的强大优势，2001年，率先在业界提出“系统集成”的服务理念，即为客户提供包括：前期可研、系统设计、设备采购、施工、安装、系统调试、运行维护、售后服务等“一站式”服务，将服务扩展和延伸至整个热泵系统。

北京市地矿总公司整合自身在水文地质领域的优势，依托自身下属企业——北京市地质工程勘察院，联合在暖通空调领域的专业设计单位——中国建筑研究院空调所、在地源热泵自主研发取得一定科技成果的专业单位——北京市创洁联科技有限责任公司，并吸收诸多国内外著名水源热泵机组生产厂家、附属设备厂家，共同组成系统集成商联合体，共同参与水源热泵系统实施工程，承接了诸多工程实例，并获得了客户的一致好评。

氢能与可再生能源耦合，让可再生能源的不稳定输出得到吸纳，解决“弃风弃光”问题，有望大幅提高可再生能源在能源结构中的比例；氢可运输的特点，可实现分布不均衡的可再生资源的再分配；大型清洁煤制氢，将成为煤炭清洁高效利用以及优质廉价煤开发利用的重要发展方向；氢能与电能耦合，可增加电力系统的灵活性，弥补电力不可存储的问题。实现不同能源网络间的协同优化，提升能源使用效率。