当前物质资源利用模式迫切需要向低碳发展转型。化学工程的科研人员及流程工业领域的利益相关者，有必要以资源利用模式的系统视角，重新审视物质资源利用与碳排放的复杂关系。基于本研究团队近年来对资源效率模式及低碳转型的研究成果，结合国内外相关研究进展，针对化学工程与低碳转型发展的关系进行深入分析，总结提出三个主要观点：（1）低碳转型中提升资源效率与碳减排存在正向协同，即物质资源利用与碳排放存在强关联，需要提升资源效率促进低碳发展转型；（2）低碳转型中碳减排和物质资源利用存在反向协同，低碳转型将拉动大量物质资源需求，需要通过技术创新和发展循环经济来对冲；（3）气候目标下化石资源利用模式将发生深刻变革，化石资源将更多地发挥“材料属性”而不是“能源属性”；“可持续的能源”和“可持续的碳源”将成为低碳流程工业的未来发展方向。化学工程作为研究物质资源转化的核心学科，将在人类向低碳社会过渡中发挥重要的和不可替代的作用。

自1921年至今，流态化科学与技术的发展迎来了其辉煌的百年。前半个世纪的发展中，在大力推广其工业应用的同时，科学家们做了许多基础理论研究，为流态化的发展奠定了牢固的基石。流态化的早期理论研究，先是以“美国派”的Lewis、Elgin等学者为代表的，以单颗粒流动为主线的“概括式”研究方式，然后是以“英国派”的Toomey、Rowe、Davidson等学者为代表的，以气固分相为特征开发出气固流化系统理论的“区域式”研究方式。另外，Wilhelm和Kwauk提出了散式与聚式流态化分类，Ergun和Richardson-Zaki提出了最小流态化速度及床层压降和床层膨胀的流态化基本方程。这些早期流态化理论的发展不仅促发了流态化后半个世纪的多样性应用，而且对启迪后续的研究方向，强化多相流反应过程，使之更好地服务于经济社会的发展，并对实现节能减排和碳中和的战略目标具有重要意义。

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展，传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势，显著简化了分子间作用模型，极大提高了计算效率，为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景，阐述其基本思想，并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。

综述了充分发展湍流中气泡破碎的机理和模型，将其机理归纳为湍流涡碰撞、黏性剪切、尾涡剪切脱落过程和界面不稳定性四类。对文献中气泡破碎速率和子气泡大小分布的预测模型进行了系统总结。分析讨论了现有气泡破碎模型的发展和局限性，并提出了未来的发展方向。同时，也综述了湍流中单气泡破碎的实验研究，依据产生湍流的方法归纳为四种情况：增大液体流速产生湍流，采用内构件产生湍流，搅拌产生湍流，以及圆锥反应器结合搅拌产生湍流。总结了现有气泡破碎实验的进展和局限，并进行了分析和展望。最后，通过将文献中气泡破碎速率模型预测值和实验数据进行对比，表明文献中多个破碎模型已经有了较好的预测能力。

乳液广泛地应用于日常生活、医疗健康以及工业生产等众多领域。定量测量和研究乳液液滴间的相互作用力对于理解和揭示乳液的稳定机制以及开发制备功能型乳液具有重要的应用前景和学术价值。随着定量测量工具的发展，表面力仪、原子力显微镜、纳米光镊等使得定量研究乳液的稳定机制成为可能。表面力仪主要用来测量两个平坦表面间的相互作用力，待测的高分子或者功能材料需要涂敷在两个平面之间；原子力显微镜主要侧重研究液滴的形变和表面力之间的关系；纳米光镊技术“无接触”地捕获和夹持两个微米级液滴进行液滴间相互作用力的原位测量，主要研究的是液滴间相互作用和液滴表面前端距离的定量关系。本文重点阐述三种定量测量工具的研究现状及其研究体系，并对未来在液滴间相互作用机制研究方面进行展望。

相比于传统乳化方法，液滴微流控技术可以在微通道内可控制备单分散液滴模板用于合成各种功能微球，被广泛应用于生物、医疗、制药、环境等领域。由于单个液滴制备微流控单元的产量低，液滴微流控的集成化放大成为了液滴微流控技术面向工业应用的技术难点。本文综述了近年来液滴微流控集成化放大方法的研究进展，重点介绍了不同类型液滴制备微流控单元集成化放大的研究进展，包括基于剪切力形成液滴、基于界面张力形成液滴和基于被动分裂形成液滴的液滴制备微流控单元的集成化放大方法。

近年来，随着能源需求与日俱增，化石燃料的燃烧造成的温室效应使得地球气候变得更加恶劣，如何有效实现碳减排成为各国科学家的研究重点。将二氧化碳转化为绿色液体燃料(如甲醇)是一个重要方向。通过甲醇合成(MS)实现碳捕获,再在需要能量时进行甲醇水蒸气重整(MSR)制备氢气,实现二氧化碳的闭路循环和氢能的储存,因此MSR反应具有很高的研究价值。在众多应用于甲醇水蒸气重整的催化剂中，Cu基催化剂因其价格低廉和高活性等优点受到广泛关注。综述了Cu基催化剂在甲醇水蒸气重整中的研究进展，包括机理探索，催化剂优化及未来的发展方向，提出铜基催化剂中铜的高分散、价态调控和复合氧化物与铜的协同是性能优化的关键。

针对甲醇芳构化过程中，金属-分子筛催化剂上ZSM-5的择型效应对C₂~C₅烃不起作用，导致不易转化的烷烃副产物大量生成，单程芳烃收率下降的现状，综述了甲醇芳构化与烷烃芳构化的催化机制与过程特性、多段流化床的结构及其应用，以及多段变温流化床在甲醇芳构化与烷烃芳构化过程的研究进展。在流化床不同的轴向位置，根据起始原料与中间产物的活性，可以采用不同的温度来促进甲醇与烷烃中间体的转化。该技术可有效提高单程芳烃收率，降低后续分离成本和能耗。同时，其中涉及的烷烃芳构化也可能发展成独立的技术，具有广阔的前景。

液液萃取是应用广泛的分离技术，在石油化工、制药提取、金属分离等领域都有重要的应用。萃取塔作为常见的分离设备当前的设计还十分依赖于以往的经验，需要进行大量的实验。文章综述了萃取塔设备的研究现状，总结了对塔内流场、液滴和浓度场的实验测量技术，介绍了基于液滴的模型化方法和多尺度计算流体力学模拟方法，归纳了过程强化的相关研究进展。并对萃取塔未来的研究发展进行了展望，在数字化和可持续的发展背景下，未来在实验方面可以关注实时测量和优化，模型化方面关注于微观界面行为和传质影响的描述，在基于先进的实验和模拟技术基础之上，结合新萃取体系进行萃取设备和内构件的开发，从而实现过程强化，以解决化工过程面临的共同挑战。

天然气是一种高燃烧热值的清洁能源，但开采出来的天然气中含有一定量的酸性气体CO₂，会造成热值降低、管道腐蚀等问题，因此在管道运输和使用前需对其进行脱碳处理。分别对低温精馏、溶剂吸收、吸附和膜分离四种脱碳技术进行了介绍，详析了每一种技术的工艺特点和典型工业应用情况，并从原料气进料条件、脱碳效率、能耗及成本等方面进行了分析比较，为不同实际工况脱碳工艺的选择提供指导，具有重要的工程意义。膜分离技术在装置占地面积、能耗及成本等方面具有一定优势，可灵活调变的级数工艺也使其能够实现高CO₂脱除率和低烃损失，具有良好的发展和应用前景，特别是适用于空间受限的场合，如在海上平台进行天然气脱碳处理。

化工燃料在提供能源过程中产生的低浓度CO₂废气可以被工业废液吸收。结合当前研究现状，介绍了用工业废液吸收低浓度CO₂废气的研究进展，并开展了可行性分析；归纳了CO₂废气与工业废液的反应原理，将其大致分为中和反应、复分解反应、微生物转化等反应类型，并讨论了其吸收动力学；总结了工业废液吸收低浓度CO₂废气的工艺装置与流程。在废液吸收废气的处理模式中，CO₂的吸收对降低碱液的pH、脱除废液中有害物质效果良好，同时还可以副产微纳米碳酸钙、生物柴油等高附加值产品，实现废弃资源的深度循环利用。此外，分析了工业废液吸收CO₂废气的生命周期评价，通过对能耗、碳排放和成本评估，进一步讨论了工业废液吸收CO₂废气对环境的影响及经济可行性。结合CO₂减排的前景，从工业应用的角度探讨了工业废液用作低浓度CO₂吸收剂面临的挑战，并对其未来产业化发展进行了展望。

近年来，全球二氧化碳排放超过370亿吨/年，对气候和自然环境造成严重影响，亟需发展碳捕集、利用与封存技术。气体膜分离是一种条件温和、操作简单的无相变分离技术，随着高渗透性、高选择性膜材料的不断涌现，逐渐成为全球碳捕集技术的主要发展方向。聚离子液体膜材料中含有大量高度亲和二氧化碳的功能基团，有望实现超高渗透选择性，被誉为下一代气体分离膜材料。综述了聚离子液体膜材料的研究进展，以渗透机制为主线重点介绍了面向碳捕集的阳离子型聚离子液体膜材料(主链型和支链型)的设计合成，包括阳离子和阴离子基团的选择，合成途径的选择，以及聚离子液体膜的结构设计优化。讨论了聚离子液体作为二氧化碳分离膜材料的优势和面临的挑战。

氢能具有燃烧值高、零碳排放等优势，发展氢能技术是实现“碳达峰、碳中和”战略的重要举措。当前，基于天然气和石油路线的制氢均存在将氢气从甲烷等烃分子中分离的过程。氢气/甲烷分离主要有变压吸附法、深冷精馏法以及膜分离法。分子筛膜具有精准分子筛分、高分离性能和稳定性好等优势，是低能耗分离氢气/甲烷最具发展潜力的膜材料。面向氢气/甲烷分离的应用需求，阐述了沸石分子筛膜和MOFs分子筛膜微结构调控策略、氢气/甲烷分离性能和构效关系的研究现状，分析了分子筛膜材料在氢气/甲烷分离领域的机遇和挑战。绘制了可与2008年聚合物膜Robeson上限图相比的分子筛膜性能数据图，并预测了分子筛膜在制氢分离领域经济可行的分离性能目标区域。

将酶负载于载体上可以提高工业应用中酶的稳定性并便于重复使用。纳米材料的发展为固定化酶提供了新的契机，利用纳米材料固定化酶有望进一步提高酶在工业环境中的催化性能、拓展固定化酶的应用范围。本文主要关注近年来在纳米结构酶催化剂方面的研究进展，重点介绍本研究组以无机晶体、金属有机骨架材料、石墨烯和功能高分子等为载体进行酶固定化以及酶催化过程多尺度分子模拟方法的研究进展，讨论了纳米结构酶催化剂的发展前景。

在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习（design-build-test-learn，DBTL）循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路，其中设计环节尤为重要，然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低，影响了微生物细胞工厂的开发效率。当前，规模越发庞大的生物数据库和人工智能技术推动了微生物细胞工厂智能设计的快速发展，提升了在生物合成途径设计、调控元件设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。本文综述了微生物细胞工厂中途径预测、元件设计和途径与元件的组合三个环节中的智能设计工具，微生物细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。

微生物细胞工厂的创制和优化改造是绿色生物制造的重要内容。基于构建高效微生物细胞工厂的主要使能技术及其新发展，以几种典型小分子和大分子化学品为例，综述了微生物细胞工厂生产化学品的研究进展。讨论了启动子工程、代谢流分析等经典的使能技术和CRISPR基因编辑、诱变耦合高通量筛选、基于人工智能的生物信息学等新技术对于微生物细胞工厂构筑的重要作用。分别以有机醇、有机酸、有机胺小分子和多糖、聚酯类生物大分子的微生物合成为例，分析了如何面向不同特点的产物分子，设计实施不同的基因改造策略，并概述了近年来代表性菌株的生产性能。进一步展望了未来微生物细胞工厂生产化学品的总体发展趋势和应用前景。

CO₂减排已经成为各国发展的重要议题之一。化工产业的传统分离过程由于?效率过低，往往会导致大量的能源浪费及CO₂排放。作为一种典型的、耦合分离与反应的过程强化策略，化学链技术有利于实现产物分离、能量梯级利用，从而显著提升系统?效率。高通量计算与化学链技术的结合，可以针对不同化学反应，指导相应的化学链载氧体热力学性质的调变策略。以化学链空气分离、氧化脱氢和热化学储能三个典型过程为例，简述化学链过程中复杂载氧体热力学性质的调变策略。热力学分析表明，不同化学链流程中载氧体性质的优化方向和最优区间均存在显著差异。因此，未来化学链技术发展的重要方向之一，是针对不同的化工流程进行载氧体的精确调变，从而实现化工流程的最优化。

对比了现有煤热解制油气技术的特点，从反应工程“三传一反”的角度系统分析和概括了煤热解过程中挥发分在颗粒内生成和释放、颗粒间扩散和反应器中停留等关键步骤中的热量、质量传递和挥发分二次反应对油气品质的影响，揭示了目前碎煤热解制油气技术普遍存在的目标产品产率低、品质差、含尘量高等技术难题的根源，并总结出煤定向热解调控的有效措施，即在挥发分生成和半焦缩聚段采用高温加热和快速传递的传热方式，在挥发分扩散过程中利用半焦床层重整焦油和过滤灰尘，在反应器中设置气体通道导流挥发分的定向溢出。针对研究团队前期开发的内构件移动床定向热解理念，介绍了导热板和集气腔等内构件的作用机制，即通过导热板和中心集气腔等内构件进行传热强化、热解气流动的有序引导，实现热量和挥发分的同向扩散和传递；通过移动床中颗粒的缓慢运动和床层的过滤作用除尘；概述了1~5 kg/次基础实验、反应器结构内传热和流动模拟，100 kg/次模试分析和1000 t/a中试验证的研究结果，充分证实了该技术在同步提高油气质量与品质、降低油中尘含量等方面的优势和对碎煤原料的适用性；基于上述研究形成了内构件定向热解技术及基于该技术的热/电-油-气联产技术。

金属锂负极是下一代高比能二次电池备受关注的负极材料，以金属锂为负极的锂金属电池具备极高的理论能量密度，但其仍存在充放电循环效率低、电池寿命短等问题。要实现高能量密度高安全性的锂金属电池的合理设计和优化，需要对金属锂负极中锂金属沉积脱出过程的离子输运、电子输运、界面反应等机制机理有清晰的认识。本文针对金属锂负极中存在的枝晶生长、死锂形成、固体电解质界面膜作用等机理问题，综述了研究者们在其沉脱机理的模型与理论计算、实验研究等方面做出的诸多研究进展，为锂金属电池的合理设计提供了更全面的机理认识。

开发清洁高效的可再生能源是未来能源转型的必然趋势。氢能作为一种绿色无污染的能源载体，可通过电解水技术实现氢能与电能的高效转化，有望作为风力、光伏发电的重要调节手段。碱性膜电解水制氢能够提高电流密度，增加能量转化效率，优于碱性水溶液电解水制氢；与此同时，可采用铁、镍等非贵金属制备催化剂，克服质子交换膜电解水制氢使用贵金属催化剂带来的设备昂贵、资源受限问题。本文综述了碱性膜电解制氢技术发展现状，重点围绕自支撑催化电极、耐碱腐蚀离子膜、有序结构膜电极开展讨论，包括催化剂制备策略，耐碱离子膜发展现状，以及有序化膜电极的应用优势，阐释电化学工程中的传质与反应耦合原理。本文为进一步研究开发高性能电化学关键材料提供了指导思路，推动电解水制氢技术的发展。

微球制剂是新型的给药系统，其粒径均一性非常重要，不仅影响产品批次间制备重复性，还会影响应用效果。因此，尺寸均一、可控的微球产品是医药制剂的关键核心。本团队成功发展了微孔膜乳化技术，20年来在粒径均一、尺寸可控微球的制备和应用方面进行了系统性研究。均一的微球制剂的优势有：绿色环保、降低成本，利于规模放大，批次间重复性好，利于研究构效关系。本团队制备的均一载药微球已成功应用于缓释制剂、疫苗递送及恶性肿瘤治疗中。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）纳米片由于具有本征孔、高孔密度、高稳定性、高力学强度、大比表面积、化学环境可调节等特性，在气体分离、渗透汽化、脱盐等膜分离工艺中具有独特的优势，从而引起了研究人员的广泛关注。本文介绍了g-C₃N₄纳米片的结构和性质，总结了g-C₃N₄纳米片的制备方法，阐述了不同形式的g-C₃N₄纳米片基分离膜，讨论了g-C₃N₄纳米片膜在分离中的应用，提出了g-C₃N₄纳米片膜的存在的问题和未来的发展趋势。

Janus颗粒乳化剂兼具分子表面活性剂的双亲特性及均质固体颗粒的Pickering效应，能高效稳定乳化体系，为界面操控及其功能化、功能物质递送到界面提供新工具。以发展Janus颗粒乳化剂为工具，以软物质界面工程为对象，将为材料学与多领域的交叉融合提供新机遇。组成、尺寸、微结构是精细调控Janus颗粒乳化剂的关键。已实现了磁响应性Janus颗粒的规模化制备，在乳化体系的深度处理方面显示了优势。近年来新发展的高分子单链颗粒及其杂化胶体极大丰富了Janus材料种类，为微尺度工程提供新手段。多尺度Janus颗粒乳化剂可作为强有力工具用于解决界面工程问题。

相对于传统高分子材料，生物降解高分子材料由于其能够在自然环境下降解为环境无害的物质，作为解决塑料白色污染的重要手段之一，近年来获得快速发展。对本课题组生物降解聚酯结构设计、改性及产业化等方面的研究进展进行了总结。通过无规/嵌段共聚的方式在聚二元酸二元醇酯中引入共聚单体单元、长/短支化结构可有效对材料的结晶性能、熔体强度等性能进行调控，进而实现对材料加工性能、力学性能以及生物降解速率的调控。通过对聚合工艺的创新优化，实现高分子量不饱和聚酯的合成，并阐明了其聚合机理；进一步，通过在不饱和聚酯中引入Diels-Alder反应/金属配位活性位点实现可逆交联弹性体的制备。对聚二元酸二元醇酯的结晶结构调控与结晶机理进行了深入的研究，提出了一种基于结晶成核动力学测定高分子结晶次级临界核尺寸的方法；基于类质同晶构型构象匹配设计了新型高效大分子型成核剂。在实验室研究的基础上，与企业合作建成了年产万吨生物降解聚酯及其共聚酯的生产线，生产的产品已应用于一次性餐具、超市购物袋和地膜的制备，并在新疆进行了农田可降解地膜的应用示范。

设计开发了新型导流型填料（FGP-A、FGP-B型填料），在冷模实验塔中以氧气-空气-水作为介质，研究分析了其流体力学与传质性能，并在相同实验条件下与Mellapak125X填料进行对比。实验结果表明，相同比表面积的FGP-A、FGP-B型填料干塔压降分别平均降低22.94%及31.99%；湿塔压降分别平均降低41.48%和47.32%；液泛气速分别平均提高4.93%及7.76%；每米填料理论级数分别平均提高26.72%和22.78%。同时结合FGP型填料流体力学与传质性能的特点，进一步将其应用到10万t/a甲醇精馏工段中。结果表明，应用FGP型填料后冷凝器热负荷降低16.01%，每年可节省冷却水461.10 kt；再沸器热负荷降低26.30%，相当于减排二氧化碳6651.83 t/a。。

为了改善滴流床用的内卷吸型气液分配器的液体分散差的现象，提出了一种文丘里卷吸型气液分配器，并对其结构参数进行了参数化研究，定量认识卷吸型分配器的结构参数对其气液分配性能的影响。在冷态实验装置上进行了文丘里卷吸型气液分配器性能实验，建立了耦合群体平衡模型的欧拉-欧拉两相流模型，数值模拟了文丘里卷吸型气液分配器气液两相分配流动过程。冷模实验结合数值模拟，系统性考察了各结构参数对卷吸型气液分配器的液体分布均匀性、喷淋半径以及压降的影响。结果表明，采用具备缩-扩结构的文丘里管作为降液管能够有效提升卷吸型分配器的分布均匀度和喷淋半径，并显著降低压降。通过正交试验，获得了主要结构参数与分配性能的相关性，给出了结构参数与性能指标的经验关联式。降液管的扩张段是改善液体分配性能的关键结构，其扩张角为30°时液体分配性能最好。

哌拉西林是一种重要的抗生素，它是利用氨苄西林水溶液和4-乙基-2，3-二氧-1-哌嗪甲酰氯(EDPC)的二氯甲烷溶液在油水界面处反应得到的。利用恒界面池研究界面表观合成反应动力学，确定符合一级反应动力学模型。详细讨论了搅拌速率、比界面积、pH、温度对反应速率的影响，实验结果表明，当搅拌速率大于250 r/min时出现与搅拌强度无关的化学反应控制“坪区”，在“坪区”下，反应速率常数随比界面积、pH、温度增大而增大。通过温度与反应速率常数的关系，得到反应的动力学数据与热力学数据，并通过与密度泛函理论(DFT)结合推导反应机理。

系统研究了不同双金属中心催化剂催化二氧化碳电化学还原制备甲酸盐。借助机器学习，确定了反应中心金属原子序数、电负性和电离能等特征对双金属中心催化剂表面二氧化碳还原具有主要的影响。基于这些特征，通过高通量机器学习快速预测了105种双金属中心催化剂二氧化碳电还原制甲酸盐及其主要竞争反应的Gibbs自由能变，筛选出29种双金属中心催化剂更倾向于二氧化碳还原得到甲酸盐，是潜在的转化二氧化碳为甲酸盐的高性能催化材料。运用类似的方法预测了105种双金属中心催化剂表面二氧化碳还原中间体的结构，发现中间体吸附能与其吸附构型具有显著的相关关系。

利用水热法制备了一系列α-MnO₂催化剂用于选择性催化氧化5-羟甲基糠醛（HMF）制备2，5-呋喃二甲醛（DFF）。研究结果表明，催化剂的表面平均氧化态（AOS）与活性呈正比关系，且可以通过氧化/还原气氛焙烧进行调控。其中使用最高AOS的MnO₂-NW2纳米线作催化剂，反应1 h获得了HMF转化率79%和DFF选择性99%，经过空气焙烧再生可进行6次以上的循环使用，且无失活现象。

将直馏石脑油分离为脂肪烃和芳烃有助于实现石脑油资源的优化利用，溶剂萃取是芳烃/脂肪烃分离的重要途径，萃取剂的设计与优选对萃取过程至关重要。实验探究了多种离子液体对正辛烷/邻二甲苯混合物萃取分离的效果，以萃取选择性、分配系数和萃取性能指数作为评价指标优选出1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氯化铁([Bm₂im][FeCl₄])萃取剂。对于中低浓度芳烃体系(<33%)，在30℃、溶剂质量比为4时，邻二甲苯萃取选择性在45以上，分配系数在0.38~0.40，萃取性能指数在18以上，单次萃取脱芳率可达60%以上。相比传统的环丁砜萃取剂，[Bm₂im][FeCl₄]萃取剂可以使体系具有更大的两相区，易于正辛烷/邻二甲苯的分离。利用量子化学软件探究[Bm₂im][FeCl₄]与正辛烷/邻二甲苯的弱相互作用，并计算其结合能，解释离子液体高选择性萃取邻二甲苯的原因。

铝系锂吸附剂成型颗粒在盐湖卤水提锂工业应用过程中存在吸附容量低、吸附速率慢和吸附剂粉末脱落等问题。基于现有反溶剂法挤压成型工艺，对盐湖铝系提锂吸附剂成型条件的影响进行了系统性研究。实验结果显示吸附剂成型颗粒粒径越小，达到吸附平衡越快，当颗粒直径d<1 mm时，吸附剂颗粒可在24 h左右达到吸附平衡；降低黏结剂浓度可有效加快吸附剂颗粒的吸附速率，但黏结剂浓度过低会导致其对粉末的包裹性下降；吸附剂颗粒的吸附速率与致孔剂添加比例成正比，当致孔剂添加比例为20%时，吸附剂颗粒能在4 h内完成快速吸附阶段，吸附平衡时对察尔汗高镁锂比盐湖卤水中锂的吸附容量可达4.97 mg·g^-1。

微藻作为地球上重要的生物资源，为水圈提供了大量的初级代谢产物，是合成生物学和生物制造研究和应用的重要底盘微生物。其中，钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)具有多糖含量高、营养价值高、培养工艺成熟、应用范围广等特点，其诱变育种及比较组学研究可为微藻细胞工厂系统改造技术发展提供重要依据。本课题组前期通过常压室温等离子体(atmospheric and room temperature plasmas，ARTP)诱变方法获得了三株钝顶螺旋藻突变体。本研究在连续光照培养条件下，对三株突变体的重要生理特征进行了表征，发现突变株具有高絮凝表型，且重要化合物含量也与野生型具有一定的差异。进一步，本研究通过对其主要代谢产物的代谢组学分析和全基因组测序，对突变表型产生的机理进行了初步解析。

建立了生物质直燃、生物质耦合燃煤发电及煤电的经济及环境影响评估模型，对比了四种不同的生物质预处理技术，量化了生物质固体燃料的供应链成本，不同发电策略的度电成本，电力碳排放强度，边际减排成本，以及考虑碳交易情况下的电厂成本收益率。研究发现，生物质耦合燃煤发电较生物质直燃发电是更为低碳的生物质利用路径，且可利用电厂的规模效应，即随着规模增大度电成本降低，成本利润率上升，而直燃发电相反。与煤电相比，耦合发电的度电成本更低，且可受益于碳交易，成本利润率更高。因此，生物质耦合燃煤发电是具有经济与环境效益的煤电淘汰方案。

采用双极膜电渗析（bipolar membrane electrodialysis，BMED）将麦草畏生产废水中的NaCl转化为HCl和NaOH回用于农药生产，实现农药废水的资源化利用。首先进行了BMED法处理单组分NaCl溶液体系的110 min间歇运行实验来探索最优操作条件，结果表明，当NaCl初始浓度为160 g/L，电流密度为70 mA/cm²，初始酸碱室浓度为0.075 mol/L时，产物HCl、NaOH的浓度能分别达到1.98 mol/L和 2.06 mol/L，且此时的电流效率较高，达到42.74%。然后考虑实际废水的COD指标主要是甲醇造成的，所以用含不同浓度甲醇的NaCl溶液模拟实际农药废水，实验结束后在酸、碱隔室中检测到少量的甲醇，表明其在BMED运行过程中存在一定程度的渗透，但未对膜堆性能造成明显影响。最后用BMED处理经过预处理后含有机物的麦草畏生产废水，发现在操作时间内膜堆性能与处理高浓度单组分NaCl溶液情况类似，证实BMED法处理麦草畏生产废水并实现资源化利用的可行性。

在较高充放电速率下，锂电池电极中Li⁺扩散受限严重，致使电池性能显著降低。为了减弱扩散限制，设计电极的孔结构是一种行之有效的方法。本工作以LiCoO₂正极为模型电极，利用建立的二维模型，优化了电极中含低曲折因子孔道的多级孔道结构。这些低曲折因子孔道可作为Li⁺传输的“高速公路”，优化其孔隙率和孔径，可大幅度提升高放电倍率下的能量密度。低曲折因子孔道的最佳孔隙率高度依赖于其孔径，其直径小于10 μm较优。当电极厚度为200 μm且总孔隙率为0.36时，优化后的多级孔电极相比于传统电极，能量密度可提高45.9%~91.4%。此外，当Li⁺的扩散限制较弱时（例如，电极厚度≤50 μm和总孔隙率≥0.48），优化电极的多级孔结构并不会显著提升电极性能。本工作可为锂电池电极中多级孔道结构的设计提供一定的指导。

构筑了介孔炭，离子液体（EMIMBF₄）与泡沫铝极片结构的超级电容器软包（容量为40 F），评测了其在2.7 V，65℃，1500 h老化实验中的性能。利用恒流充放电、恒流-恒压充放电模式评测，该电容器经过连续1500 h的高温处理后电容值衰减约10%，内阻增加比例低于40%。与传统的乙腈基电解液软包对比，虽然乙腈基软包起始内阻低，但产气多，且高温循环条件下容量衰减比例和内阻增加比例均劣于离子液体基电解液。上述对比说明，离子液体基电解液在泡沫铝三维导电导热结构的配合下，具有了良好的长周期循环性能。同时，由于其无毒性，可以用于封闭的楼宇空间或其他场所，提供本质安全性。

以对位芳纶纳米纤维(PANF)水凝胶为原料，将冻凝胶粉碎法与冷冻干燥法相结合，制备出PANF气凝胶粉体。系统研究了对位芳纶气凝胶粉体的微观结构及性能参数，以及制备条件对产物形貌的影响，并初步探究了其应用。结果表明，液氮冷冻制备的PANF气凝胶粉体具有多孔结构，松装密度约为17.0 kg?m^-3，孔隙率约为98.8%，BET比表面积可达126.30 m²?g^-1。PANF气凝胶粉体的耐热性优异，在氮气气氛下500℃前几乎无分解；热导率较低，约为0.03 W?m^-1·K^-1。气凝胶粉体具有吸附罗丹明B等染料的特征，同时可作为纳米填充材料增强聚氨酯乳胶膜等聚合物材料的硬度，其低热导率表明其有望应用于绝热领域。

基于可再生生物质在二维层状晶体表面的自组装及其与四硫代钼酸铵的化学配位作用，发展了一种镶嵌单层MoS₂纳米片的超薄硼氮共掺杂碳纳米片的制备策略。此结构中，二维纳米碳结构利于提供更大的电化学活性表面积、连续的电子传导通路并大幅缩短电子传输路径，同时实现单层MoS₂纳米结构的均匀分散；均匀镶嵌其内的单层MoS₂纳米结构则显著提升了钠离子存储容量，并加速其在充放电过程中氧化还原反应动力学速率。应用于钠离子负极材料时，此类二维复合结构表现出了优异的储钠比容量、倍率性能和循环稳定性。

高性能、高安全储能电池的迫切需求加速了橄榄石型高电压正极材料的研究步伐。为了改善高电压磷酸钴锂(LiCoPO₄)的综合电化学性能，采用溶剂热法研究了溶剂比、过渡元素(Fe、Mn)单掺杂和双掺杂(掺杂元素总量占10%)对正极材料形貌、尺寸、反位缺陷和电化学性能的影响。结果表明，当溶剂比为2.3时，未掺杂LiCoPO₄在0.1C下表现出163.1 mAh·g^-1的最高理论比容量；双掺杂LiCo_0.9Mn_0.05Fe_0.05PO₄正极材料具有突出的循环性能，在0.5C电流密度下，循环100圈后的容量保持率为78.9%，循环稳定性得到明显改善。

磷酸锰铁锂(LMFP)具有比磷酸铁锂(LFP)更高的能量密度，但因电导率更低，倍率性能较差。本文采用掺硫碳纳米管提升LMFP电极的导电性能，有效提高了LMFP电极的能量密度和功率密度。首先，以亚硫酸钙热解产生的SO₂为掺杂剂，对碳纳米管(CNT)进行气相掺硫处理得到掺硫碳纳米管(SCNT)。与未掺杂CNT相比，SCNT表现出更好的亲水性和导电性。将SCNT水相分散液作为导电添加剂，以水为溶剂制备LMFP电极，分别在室温和-10℃的低温环境下进行倍率性能、循环性能和交流阻抗等测试。结果表明，添加SCNT作导电剂有效提高了LMFP电极的导电性和动力学速率，添加SCNT的LMFP电极在0.2C和5C下可逆容量分别为200 mAh/g和145 mAh/g，显著高于添加了CNT或CB导电剂的LMFP电极。将添加SCNT的LMFP电极与石墨匹配组装全电池，表现出185.0 Wh/kg和665.5 W/kg的超高能量密度和功率密度。

我国青海盐湖镁资源的利用率低，带来严重的资源浪费和环境污染，若将镁盐开发为相变储热材料，则可扩大其应用领域，从而促进镁盐资源的充分利用。针对中低温保温隔热的应用需求，在前期工作基础上，选用MgCl₂·6H₂O-Mg（NO₃）₂·6H₂O（MCH-MNH）质量比为41∶59的共晶盐作为相变材料，为降低其过冷度并提高隔热性能，选用多孔介质石墨相氮化碳（g-C₃N₄，CN）作为支撑材料，制备低热导率的MCH-MNH/CN复合相变材料。先将尿素在550℃高温下煅烧得到多孔的CN，再采用吸附法制备出MCH-MNH/CN复合相变材料，并对复合相变材料的形貌、结构与热性能进行了表征和测量。结果表明，共晶盐相变材料均匀地吸附在CN的微孔结构内，其与CN的复合是一个物理过程，没有发生化学反应；复合相变材料的相变温度为55.2℃，相变焓值为92.7 J/g，几乎没有过冷度，其热导率为0.3 W/（m·K），仅是共晶盐MCH-MNH的一半，提高了隔热性能。此外，复合相变材料还具有良好的热稳定性，在中低温保温隔热领域具有应用前景。