簡(jiǎn)介:隨著全球范圍內(nèi)材料科學(xué)和能源科學(xué)的蓬勃發(fā)展,國(guó)際上對(duì)電化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識(shí)不斷深入和重塑。當(dāng)前,電化學(xué)學(xué)科不僅與無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和化學(xué)工程等學(xué)科密切相關(guān),還在環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域中居重要地位,呈現(xiàn)不同領(lǐng)域?qū)<彝f(xié)作研究開創(chuàng)的多領(lǐng)域、跨學(xué)科交叉的獨(dú)特風(fēng)格,逐漸發(fā)展成為橫跨基礎(chǔ)科學(xué)(理學(xué))和應(yīng)用科學(xué)(工程、技術(shù))兩大方面的重要學(xué)科。
隨著全球范圍內(nèi)材料科學(xué)和能源科學(xué)的蓬勃發(fā)展,國(guó)際上對(duì)電化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識(shí)不斷深入和重塑。當(dāng)前,電化學(xué)學(xué)科不僅與無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和化學(xué)工程等學(xué)科密切相關(guān),還在環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域中居重要地位,呈現(xiàn)不同領(lǐng)域?qū)<彝f(xié)作研究開創(chuàng)的多領(lǐng)域、跨學(xué)科交叉的獨(dú)特風(fēng)格,逐漸發(fā)展成為橫跨基礎(chǔ)科學(xué)(理學(xué))和應(yīng)用科學(xué)(工程、技術(shù))兩大方面的重要學(xué)科。
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電化學(xué)學(xué)科研究的具體體系不斷拓展,研究電極從本體電極拓展到眾多新材料電極(納米材料、有機(jī)聚合物導(dǎo)體、生物膜、酶等),研究介質(zhì)從水溶液介質(zhì)拓展到非水溶液介質(zhì)(有機(jī)溶劑、熔鹽、固體電解質(zhì)等),研究界面從簡(jiǎn)單的固/液界面拓展到復(fù)雜多相界面(固/固、固/氣、固/液/氣等),研究尺度和理論模型也已深入分子乃至原子尺度。同時(shí),電化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域涉及國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中的重要行業(yè),傳統(tǒng)的電化學(xué)理論和技術(shù)已不足以支撐日益擴(kuò)大的重大需求,急需創(chuàng)新電化學(xué)基礎(chǔ)理論和發(fā)展先進(jìn)的研究方法。
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廈門大學(xué)發(fā)起并主持了中國(guó)科學(xué)院學(xué)部學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目——“電化學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究”。該項(xiàng)目在中國(guó)科學(xué)院學(xué)部支持下,依托中國(guó)化學(xué)會(huì)電化學(xué)專業(yè)委員會(huì)、廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,以及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“界面電化學(xué)”創(chuàng)新研究群體,匯集電化學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和企業(yè)界的知名專家學(xué)者,共同謀劃電化學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略。本項(xiàng)目旨在梳理電化學(xué)學(xué)科發(fā)展的歷史脈絡(luò),分析學(xué)科發(fā)展總體態(tài)勢(shì)和一般規(guī)律,凝練電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和瓶頸技術(shù)難題,探討未來(lái)電化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重要方向。在此基礎(chǔ)上,為我國(guó)電化學(xué)學(xué)科的持續(xù)、協(xié)調(diào)、健康發(fā)展提出有針對(duì)性的政策建議,為國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的實(shí)施提供有效策略、技術(shù)支撐和人才保證。
新時(shí)代電化學(xué)學(xué)科的發(fā)展需要進(jìn)一步完善全面和系統(tǒng)的知識(shí)理論體系,解決技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題,為下一代電化學(xué)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供有力的支撐。
電化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)電化學(xué)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢(shì),預(yù)測(cè)未來(lái) 10 年內(nèi)我國(guó)電化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)如下。
(1)為適應(yīng)新時(shí)代電化學(xué)科學(xué)的新需求,電化學(xué)領(lǐng)域的新概念、新方法、新理論不斷涌現(xiàn),對(duì)電化學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)將不斷深入和重塑。
(2)在與不同學(xué)科的交叉融合中,電化學(xué)理論框架和知識(shí)體系將逐步統(tǒng)一和完善,電化學(xué)研究方法和技術(shù)更加先進(jìn),電化學(xué)基礎(chǔ)研究中的部分重要科學(xué)問(wèn)題將獲得有效的解決途徑。
(3)基礎(chǔ)前沿探索研究和創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)同步開展,基礎(chǔ)與應(yīng)用、科學(xué)與工業(yè)的聯(lián)系更加緊密。學(xué)科發(fā)展越來(lái)越重視并參與電化學(xué)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新,電化學(xué)科學(xué)與技術(shù)將滲透到各類新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,為下一代技術(shù)革新提供新思路。
電化學(xué)重點(diǎn)發(fā)展的研究領(lǐng)域
根據(jù)我國(guó)電化學(xué)學(xué)科和電化學(xué)工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合國(guó)際研究動(dòng)向和我國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃,針對(duì)電化學(xué)學(xué)科需要解決的重大科學(xué)問(wèn)題,未來(lái) 10 年內(nèi)電化學(xué)學(xué)科重點(diǎn)發(fā)展的研究領(lǐng)域建議如下。
電化學(xué)基礎(chǔ)理論與研究方法
適用于新型電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)和過(guò)程的電化學(xué)理論構(gòu)建、概念創(chuàng)新和反應(yīng)機(jī)制探究;依托人工智能和大數(shù)據(jù)的電化學(xué)表界面理論模擬和計(jì)算方法;工況下高能量、高空間和時(shí)間分辨及無(wú)侵?jǐn)_的電化學(xué)研究表征方法。
電化學(xué)材料領(lǐng)域
材料結(jié)構(gòu)、表面和界面等與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)與規(guī)律;高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的電化學(xué)材料的理性設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)可控的電化學(xué)材料的規(guī)模合成方法;電化學(xué)沉積技術(shù)在材料表面改性特別是功能材料制備中的應(yīng)用。
化學(xué)能量存儲(chǔ)領(lǐng)域高比能量動(dòng)力鋰電池材料體系研發(fā)及其應(yīng)用過(guò)程中的容量衰減、安全性等問(wèn)題研究;低價(jià)格的二次電池(鈉、鉀基)、多電子反應(yīng)的變革性電池(鎂、鋁、鋅、鐵等體系)、水性二次電池等新型儲(chǔ)能體系的開發(fā);鋰– 硫、鋰 – 空、固態(tài)金屬鋰電池等下一代高比能電池體系及相關(guān)材料的開發(fā);高安全性和高性能的新型鋰離子電池電解質(zhì)系統(tǒng);超級(jí)電容儲(chǔ)能機(jī)制和高功率、高能量超電容關(guān)鍵技術(shù);新一代高性能、低成本液流電池關(guān)鍵材料技術(shù)與智能控制管理技術(shù)。
電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域
質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料開發(fā)、膜電極功能化構(gòu)筑和工況環(huán)境協(xié)同催化與長(zhǎng)穩(wěn)服役機(jī)制研究;固態(tài)氧化物燃料電池在大規(guī)模儲(chǔ)能、燃料電池汽車、小型家用/商用以及大型商用方面的系統(tǒng)開發(fā)與研究;水電解技術(shù)中的催化劑開發(fā)與有效調(diào)控策略;發(fā)展高效、低能耗、環(huán)境友好的關(guān)鍵光伏材料體系和新型光伏器件中光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的相關(guān)機(jī)理。
電化學(xué)分析和生物科學(xué)領(lǐng)域
電化學(xué)生物傳感器的放大策略開發(fā);電化學(xué)分析在現(xiàn)代大健康中的應(yīng)用;單分子精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量;可穿戴式電化學(xué)生物傳感器開發(fā);結(jié)合人工智能發(fā)展以大數(shù)據(jù)為應(yīng)用平臺(tái)的電分析技術(shù);發(fā)展電化學(xué)分析技術(shù)用于電化學(xué)過(guò)程的理論研究。
電化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域
電化學(xué)工程基礎(chǔ)研究;電極材料和電化學(xué)反應(yīng)器;電化學(xué)合成技術(shù);環(huán)境電化學(xué);電化學(xué)表面修飾與加工;高端電子制造(芯片、封裝、集成)中的電子電鍍技術(shù)與電子化學(xué)品。
電化學(xué)發(fā)展機(jī)制與政策建議
未來(lái)的 10~20 年是電化學(xué)學(xué)科快速發(fā)展的新的黃金時(shí)期,把握歷史機(jī)遇,挑戰(zhàn)瓶頸難題,以“超越傳統(tǒng),引領(lǐng)未來(lái)”為學(xué)科發(fā)展總體目標(biāo),要求我國(guó)電化學(xué)學(xué)科必須做好頂層設(shè)計(jì)和科學(xué)規(guī)劃,立足于我國(guó)電化學(xué)學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)家戰(zhàn)略需求,充分利用人力、物力、財(cái)力等各項(xiàng)資源。本書提出的發(fā)展機(jī)制和政策建議如下。
(1)全面細(xì)致地做好學(xué)科規(guī)劃,科學(xué)合理地布局發(fā)展方向,加快電化學(xué)學(xué)科引領(lǐng)國(guó)際發(fā)展的步伐。
(2)加強(qiáng)電化學(xué)學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)的高度和力度,為學(xué)科的未來(lái)發(fā)展儲(chǔ)備力量。
(3)推動(dòng)跨學(xué)科交叉研究,鼓勵(lì)相關(guān)領(lǐng)域的人才隊(duì)伍切入電化學(xué)學(xué)科,重視有顛覆性可能的創(chuàng)新技術(shù)。
(4)促進(jìn)電化學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)轉(zhuǎn)移,健全電化學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈,加速急需產(chǎn)業(yè)技術(shù)孵化。
(5)設(shè)立電化學(xué)科學(xué)與技術(shù)專項(xiàng)研究基金,如重大研究計(jì)劃、重點(diǎn)項(xiàng)目等。
(6)提升政府管理機(jī)構(gòu)、研究出資機(jī)構(gòu)與研究主體之間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力,減少研究主體的事務(wù)性工作,提高研究成果產(chǎn)出效率。 (7)改進(jìn)科研評(píng)價(jià)體制,營(yíng)造健康學(xué)術(shù)生態(tài)和科學(xué)研究文化,改善科研工作者生活與工作環(huán)境,促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展。
本文摘編自《中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·電化學(xué)》(中國(guó)科學(xué)院 編),內(nèi)容有刪減,標(biāo)題為編者所加。