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　　Top 11 工程研究前沿包括：可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、面向二氧化碳转化利用的高效电催化剂与反应体系能源及材料、用于高效电化学储能的集成式一体化电极研究、本征安全电池体系实现可再生能源存储等。

　　Top 11 工程开发前沿包括：面向高温环境的金属基复合材料设计与制备、高效光伏器件的构建与规模化制造技术、基于人工智能大规模语言模型的化工新材料设计与制备等。

　　（1）工程研究前沿：可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料

　　可再生能源驱动生物固碳是利用光能、电能等可再生能源替代化学能作为生物固碳途径的能量和还原力来源，用于生产生物基化学品、清洁燃料以及生物绿色材料的过程，可以进一步发挥生物固碳的优势。

　　可再生能源驱动生物固碳的研究在近年来得到了迅猛发展。将转化可再生能源的人工器件与生物催化剂相耦合的关键问题在于耦合机制，在未来的研究中，首先应着重发展相应的表征技术，揭示人工器件与生物组分之间的物质和能量交流机制，并以此不断推动人工– 生物高效互作新体系、新模型的开发。

　　其次，生物催化剂是该过程的研究核心，工业酶和工业菌种的发掘与改良进程决定了可再生能源驱动生物固碳的产业化进程，需要借助学科交叉工具，将大数据和人工智能（AI）等计算机技术和前沿物理、化学技术应用于工业酶、工业菌种的筛选、改造与创制，在未来几年内实现核心酶和核心菌种的技术自主化。

　　最后，研究适用于可再生能源驱动生物固碳的高端工业反应器，实现从CO2到各类燃料和化学品的实时监测、精确调控和高效分离，以适应不同的生产需求，打造有针对性的高效生产路线。下附可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料工程研究前沿的发展路线。

　　锂离子电池占据了电化学储能领域的绝大部分市场份额，但能量密度及功率密度亟须提高，以满足日益增长的社会发展需求。开发兼具高比能、高功率、高稳定、长寿命、高安全和低成本的新一代锂电池的关键不仅在于对电极材料电化学储能机制有清晰认知，还需在电芯组分以及电极整体结构层面进行系统设计。

　　规模化储能电站对电池安全性要求严苛。本征安全电池是一种具有内在安全机制的电池技术，在电池内部结构和材料上实现安全性能的提升，能够有效预防和控制热失控、爆炸和漏液等危险情况。当前，本征安全电池研究领域正在不断进行技术创新和突破。研究者致力于开发新型材料、优化电池结构设计，以提高电池的本征安全性能和电化学性能。例如，设计添加阻燃剂以有效抑制电解质的燃烧，开发本征阻燃型聚合物电解质以提升固态电池安全性，抑制锂枝晶以提升锂金属负极安全性。

　　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。近年来火热的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。

　　未来发展路线 年，大模型将助力化工新材料行业的多个环节，从文献信息提取、材料结构生成、材料性质预测、合成条件优化、智能化表征

　　金属基复合材料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。

　　随着全球经济发展，世界各国对能源的需求急剧增加，能源问题已引起全人类的高度关注。目前常见的传统能源有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等，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。

　　含碳量更低或者不含碳（零碳）的新型燃料部分或全部替代含碳量较高的传统汽油、柴油或其他燃料，进而从源头降低发动机单位功率输出的二氧化碳排放的碳减排技术。目前获得广泛关注和较为深入研究的发动机低碳及零碳燃料包括天然气，通过生物质制取的甲醇、乙醇、二甲醚和生物柴油，通过可再生电力能源制取的氢气、氨气及电力合成液体燃料等。未来研究趋势：

　　二是利用不同碳中性燃料燃烧特性互补进行燃料调质设计，结合先进发动机燃烧模式和尾气后处理技术，实现发动机零碳和近零污染物排放。

　　柔性自供电可穿戴传感器是指一种可以贴合于人体表面的传感器装置，能够收集和监测身体相关的生理参数或环境信息，并且具备自供电功能，无需外部电源

　　柔性自供电技术可以将人体及周围环境中的微能源转换为电能，为可穿戴传感器人体生理和运动监测等功能提供能量、实现长久续航。

　　多材料4D打印是利用增材制造工艺成形多种材料得到具有“刺激– 响应”特性

　　响应表现为构件形状、性能或功能随时间发生可控变化。其将不同的材料分配至适当的位置，通过响应外部刺激而获得既定的形性变化，这种自感知、自驱动的特性使其在航空航天可展开结构、生物支架等关键构件上具有广阔的应用前景。

　　多功能复合材料为航空飞行器提供优异力学性能的同时，也赋予其吸波、透波、隔热、导电、电磁屏蔽、减振吸能

　　海水直接制氢技术研究、基于可再生能源的电力多元转换技术、高比能锂金属电池等。

　　动力电池快速充电及管理技术、长时大规模储热及热机械储能技术、核能制氢– 工业应用耦合技术等。

　　海水直接制氢技术是指不经过淡化等预处理过程而直接将海水分解为氢气和氧气的技术。但由于海水成分极其复杂（含高达92 种化学元素），面临着析氯副反应、膜堵塞、腐蚀性等诸多难题与挑战。海水直接制氢技术的发展，将助力推动“海上风电等可再生能源利用– 海水氢能生产”的全球新兴战略产业。

　　目前相变迁移的海水直接电解制氢技术路线 年前实现1 000~3 000 Nm3/h H2 海水制氢系统量产，2033 年前实现应用场景拓到污水、废水等非纯水资源的大规模直接制氢。

　　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

　　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。电解水制氢是当前Power-to-X 技术的重点领域。此外，绿氢耦合CO2 和N2 转化可以提供丰富的产品。（3）工程研究前沿：高比能锂金属电池

　　作为二次电池负极金属锂的理论比容量高达3 860 mAh/g，同时它具有最负的电化学电位，是高能二次电池负极材料的终极选择。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，大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。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。

　　动力电池（锂/ 钠离子电池）决定了电动交通运输工具的性能和市场竞争力。实现“加油式”快速充电，能够拓展电动车的应用场景，提高电动车的市场渗透率。美国先进电池联盟对动力电池充电提出了具体指标，要求在15 分钟内充满电池总电量的80%。然而，由于离子传输阻力带来的动力学极化，快充会导致动力电池负极侧析锂（钠），进而加速性能衰减并引发安全隐患。通过管理技术或本征材料改性可降低快充过程限速步骤的反应能垒，提高快充能力。

　　的主要方向是电池智能温控系统和算法优化充电协议。本征材料改性则围绕电极构造、负极材料、黏结剂、电解质、固态电解质薄膜（SEI）。未来研究趋势：

　　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。“动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿的发展路线如下图所示。

　　储热及热机械储能技术是一种基于热质传递输运和热功可逆转化的能量存储技术，完美体育 完美官方网站可从技术和经济的角度实现能量的长时跨季节规模化存储，具有能量密度高、利用方式灵活、综合效率高、成本可控等优点，是推动碳中和目标下能源绿色转型、构建以新能源为主体的零碳电力系统的关键技术。储热技术包括显热储热、相变储热和热化学储热，热机械储能技术涵盖压缩空气/ 二氧化碳储能、液化空气/ 二氧化碳储能和卡诺电池（也称热泵储电）。

　　与传统制氢技术相比，核能制氢具有清洁、高效、经济等优势，核能制氢的科学研究与产业化应用逐渐成为热点。电解水制氢——氢直接应用或发电的储能形式有望成为继抽水蓄能以外的另一种商业化应用的大容量长时储能技术，同时核能制氢在工业领域的应用包括核能向石化园区供应水热电氢多元化产品，在燃料合成和冶金等领域应用。氢能工业应用耦合技术主要包括工艺模拟与优化、高效能反应堆、工程材料的耐腐蚀试验、测量和控制技术。

　　林木废弃物生物炼制，又称林木生物质炼制（相较于石油炼制而言），是以木材采伐和加工过程产生的废弃木质纤维生物质为原料，采用热化学、生物等处理方法生产液体燃料( 燃料乙醇、生物柴油等)、平台化学品（糠醛、糠醇等）、饲料添加剂、生物基材料等产品的技术，包括

　　和热化学转化两条路线。生物转化是以微生物或酶为催化剂，结合工业生物技术手段，将生物质绿色化转化的技术，其主要研究方向包括：以黄酮类、单宁类、萜类、苯丙素类等活性组分为主的林源次生代谢产物提取、分离和利用技术；以乳酸、乙二醇、丁二酸、呋喃二甲酸等材料前驱单体开发为主的制备技术；以生物天然气、纤维素乙醇、丁醇等燃料化学品制备为主的燃料制备技术。

　　热化学转化是以热解、液化、气化等方式实现木质纤维转化的技术，其主要研究方向包括：以高品质燃气、先进碳材料前驱体等制备的热解气碳联产技术；以糠醛、酚类等平台化学品及液体燃料等制备的液化技术；以平台化学品为单体或以纤维素、木质素等为基体的生物基功能材料制备技术。

　　Top 10 工程开发前沿包括：纤维素基抗菌纺织材料、木质纤维素可持续生产乳酸的细胞工厂技术等。

　　随着消费需求的不断增长，纺织材料尤其是智能型纺织产品的实用性正日益受到重视。传统纺织材料在生产过程中消耗了大量的自然资源，造成过量的碳排放。鉴于化学纤维、羊毛等传统纺织原材料日益短缺，生物质材料因其丰富的原材料、较低的成本，以及良好的物化稳定性、机械性能和环境友好性而备受关注。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，完美体育 完美平台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。

　　在后疫情时代，人们的个人防护意识日益增强。科研工作者们广泛关注如何有效抑制有害细菌的生长并将其彻底消灭。纺织品作为主要的人体防护材料，其疏松多孔的结构和较大的比表面积使其极易吸附人体新陈代谢过程中分泌的油脂和汗液，为微生物的附着、滋生和繁殖提供了温床。开发功能性纺织品，尤其是低碳环保型抗菌纺织材料，已成为当务之急。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。在人们环保意识日益增强的当下，纤维素基抗菌纺织材料也成了众多品牌和企业的首选材料。随着技术的不断发展，纤维素基抗菌纺织材料的性能也将进一步得到提升和完善，其在纺织领域中的应用前景也将更加广阔。未来发展路线 年，“纤维素基抗菌纺织材料”工程开发前沿的发展路线如下图所示，纤维素基抗菌纺织材料的发展成熟度逐步由

　　阶段。随着人们对健康和生活质量的追求不断提高，纤维素基抗菌纺织品的市场需求将会不断增长。未来，纤维素基抗菌纺织品的发展将更加注重环保、健康、功能性、智能化等方面。同时，随着新技术的不断应用和发展，纤维素基抗菌纺织品的性能和附加值也将不断提高。预计未来纤维素基抗菌纺织品将在更多领域得到应用和发展。

　　乳酸是具有生物相容性的有机羧酸，在医药、食品、化妆品等领域具有广泛的应用。乳酸的生产方法主要包括化学合成和生物合成两类。生物合成法因其环境友好、生产成本低等优势正逐步取代传统的化学合成法。然而，生物合成法通常采用木薯淀粉和其他粮食作物发酵生产得到乳酸，这引起社会对粮食和燃油问题的争议。因此，大宗乳酸化学品仍面临供不应求的问题。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。

　　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。

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