天津大學(xué)化工學(xué)院通過培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生和開展前沿化學(xué)研究，為推動中國國家發(fā)展發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該校致力于核心化學(xué)工程技術(shù)，以及合成生物學(xué)、綠色化學(xué)技術(shù)和應(yīng)用于能源、環(huán)境和工程的新材料，促進了跨學(xué)科發(fā)展，將成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。
院長專訪
天津大學(xué)（Tianjin University），簡稱 “天大” ，坐落于天津市，是由教育部直屬的全國重點大學(xué)，是國家“世界一流大學(xué)建設(shè)高校A類”、國家首批“211工程”和“985工程”重點建設(shè)高校，天津大學(xué)原名北洋大學(xué)，前身是1895年由光緒皇帝批準、盛宣懷出任學(xué)堂首任督辦的 “北洋大學(xué)堂” 。北洋大學(xué)堂自創(chuàng)辦之始，就仿照美國的大學(xué)模式，全面系統(tǒng)地學(xué)習(xí)西學(xué)。1951年，北洋大學(xué)與河北工學(xué)院合并，由國家定名為天津大學(xué)。天津大學(xué)化工學(xué)科是1952年院系調(diào)整時，由當時的北洋大學(xué)、南開大學(xué)、燕京大學(xué)、輔仁大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、河北工學(xué)院、唐山鐵道學(xué)院等高校的化工系合并組成，1997年，在原化工系的基礎(chǔ)上成立了天津大學(xué)化工學(xué)院。長期以來，化工學(xué)院秉承“堅持一流標準，培養(yǎng)一流人才，爭創(chuàng)一流成果，做出一流貢獻”的發(fā)展目標，“化學(xué)工程與技術(shù)”一級學(xué)科連續(xù)3次蟬聯(lián)全國第一，“天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心”成為全國首批14個“2011協(xié)同創(chuàng)新中心”之一。
近日，天津大學(xué)化工學(xué)院（SCET）院長馬新賓闡述了天大化工是如何利用科學(xué)研究對社會發(fā)展做出貢獻？《Nature Research》以“Advancing chemical engineering education”和“Innovating for success”為題進行了相關(guān)報道。
圖1、天津大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院（SCET）院長馬新賓
·SCET的任務(wù)是什么？
我們致力于培養(yǎng)優(yōu)秀的學(xué)生，產(chǎn)生一流的研究成果，并為國家發(fā)展做出貢獻。為了實現(xiàn)這些目標，我們推動了化學(xué)工程領(lǐng)域的高等教育改革，召集了一流的教職員工來促進技術(shù)創(chuàng)新，并擴大了國際合作。我們也帶動了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。
·SCET在其悠久的歷史中如何建立學(xué)術(shù)實力？
?在其125年的歷史中，天津大學(xué)一直是多代學(xué)術(shù)領(lǐng)袖的故鄉(xiāng)，也是培養(yǎng)學(xué)生的搖籃。早在1920年代，天津大學(xué)的前身北洋大學(xué)就建立了工業(yè)化學(xué)演講廳，吸引了侯德榜和后來的丁緒淮等著名的化學(xué)工程專家在這里任教。這為我們的學(xué)術(shù)課程和化學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。在1952年的全國大學(xué)重組中，七所著名大學(xué)的化學(xué)工程系合并，聚集了該領(lǐng)域的專家和天津的年輕人才，進一步鞏固了我們的地位。在1980年代，我們通過產(chǎn)學(xué)合作推動行業(yè)發(fā)展的努力推動了我們的快速發(fā)展。從2003年到2017年，SCET在中國教育部的化學(xué)工程和技術(shù)學(xué)科評估中一直排名第一。2017年，入選國家“雙一流”計劃，標志著發(fā)展的新篇章。
·?是什么使SCET成為如此出色的化學(xué)工程培訓(xùn)課程？
作為亞洲最早的兩所學(xué)校之一，也是中國第一所獲得化學(xué)工程師學(xué)會（IChemE）認證的碩士學(xué)位，我們在國際上享有很高的聲譽。我們的畢業(yè)生成為國際認證的極具競爭力的化學(xué)工程師。SCET以教育世界一流的工程師而自豪，他們致力于實現(xiàn)卓越的技術(shù)并從事實中尋找答案。相應(yīng)地建立了課程系統(tǒng)以關(guān)注學(xué)生的解決問題的能力。我們還建立了一個教育平臺，在我們先進的教學(xué)設(shè)施的支持下，將企業(yè)實踐，工程技能培訓(xùn)，研究，學(xué)術(shù)競賽和企業(yè)家精神相結(jié)合。我們的學(xué)生在全國和全球競賽中均獲得了多個獎項，包括AIChE杰出學(xué)生分會獎。
我們還與其他著名的中國大學(xué)建立了伙伴關(guān)系，以證明我們在化學(xué)工程教育中的領(lǐng)導(dǎo)作用，這些大學(xué)旨在改善課程開發(fā)和該領(lǐng)域的培訓(xùn)。我們?yōu)閷I(yè)培訓(xùn)設(shè)置的指導(dǎo)方針和認證系統(tǒng)獲得了國家獎項的認可。
化學(xué)工程教育的擴展標志著SCET的新增長。迄今為止，我們已經(jīng)吸引了來自六大洲50多個國家的國際學(xué)生，他們?yōu)镾CET的計劃帶來了新的活力，增強了我們的全球化和多樣性。
·?您如何通過協(xié)作來增強程序？
開放的態(tài)度對于建立世界一流的化學(xué)工程計劃至關(guān)重要。我們已經(jīng)與世界著名的大學(xué)和研究機構(gòu)建立了合作伙伴關(guān)系，其中包括愛丁堡大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校。這些使學(xué)生可以交流，使我們的培訓(xùn)計劃更加全球化。我們的網(wǎng)絡(luò)還擴展到科萊恩（Clariant）和阿斯利康（AstraZeneca）等國際公司，并為研究項目合作和學(xué)生實習(xí)建立了合作基地。我們還組織了國際會議，吸引了世界一流的專家。這些合作促進了知識和文化交流。
成果集錦–將創(chuàng)新轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力
推動技術(shù)創(chuàng)新是當今大學(xué)的使命。天津大學(xué)化工學(xué)院（SCET）正在探索前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新。通過產(chǎn)學(xué)合作，它正在加速知識，技術(shù)，產(chǎn)品和行業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，將研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，并推動經(jīng)濟增長。
圖2、天津大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院（SCET）
·?推動化學(xué)工程發(fā)展
蒸餾是最常見的分離技術(shù)之一，已從煉油到散裝化學(xué)品被廣泛使用。作為過程工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，它是SCET的首要任務(wù)。SCET擁有四個國家級的蒸餾技術(shù)平臺，具有在該領(lǐng)域取得突破的良好條件，包括開發(fā)中國最大的蒸餾塔。
結(jié)合分離理論，流體動力學(xué)以及過程分析和優(yōu)化方法，SCET研究人員開發(fā)了用于大型填料和塔板（蒸餾塔的核心）的技術(shù)。填料是處理各種氣體和液體流速的理想選擇，而塔板通常用于真空蒸餾。在大型蒸餾設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計和優(yōu)化中也使用了各種可視化技術(shù)。由此產(chǎn)生的塔使蒸餾能力每年翻一番，達到1000萬噸，并在中國的大型煉油廠得到廣泛使用。
SCET研究人員還開發(fā)了用于反應(yīng)蒸餾的節(jié)能技術(shù)和增強的集成技術(shù)，這些技術(shù)已在工業(yè)中使用。他們的油淬系統(tǒng)已廣泛用于大型乙烯加工廠。同時，他們基于具有多孔介質(zhì)的非金屬泡沫材料，設(shè)計了用于氣體和液體傳質(zhì)的新型內(nèi)件，并建立了蒸餾過程的理論模型，從而將其泡沫材料傳質(zhì)單元用于聚酯，煉油，多晶硅，以及空分行業(yè)。
圖3、這家由中石化福建石化公司運營的乙烯裝置采用SCET技術(shù)，年產(chǎn)量達80萬噸。其油淬塔具有直徑為11.5米的填充柱，是中國最大的填充柱
SCET也是國家工業(yè)結(jié)晶工程技術(shù)研究中心所在地，開展結(jié)晶過程研究，SCET是該領(lǐng)域唯一的國家級孵化基地。
為了支持醫(yī)藥，食品和其他行業(yè)中高端功能晶體產(chǎn)品和材料的開發(fā)，研究人員研究了結(jié)晶機理，系統(tǒng)工程和工業(yè)化過程，從而改進了技術(shù)和設(shè)備。該中心還提供從研發(fā)到設(shè)計和商業(yè)化的工程服務(wù)。其技術(shù)和設(shè)備在全國范圍內(nèi)使用，年產(chǎn)值超過12.3億元。這些技術(shù)獲得了多個國家和省級科學(xué)技術(shù)獎的認可。
丙烷脫氫技術(shù)還產(chǎn)生了經(jīng)濟利益，該技術(shù)用于生產(chǎn)丙烯，丙烯是薄膜包裝，汽車和紡織工業(yè)中常用的原材料。SCET開發(fā)的催化劑可以達到40％以上的丙烯收率，而他們的新技術(shù)可以將系統(tǒng)能耗降低30％。這些低碳烷烴轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)正在石油企業(yè)中使用，在節(jié)能化學(xué)工程領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
SCET關(guān)于將潔凈煤轉(zhuǎn)化為大宗化學(xué)品的研究最好地說明了可持續(xù)的化學(xué)加工。從合成氣生產(chǎn)乙二醇（聚酯纖維和防凍劑的原料）需要一種綜合技術(shù)，包括將CO與甲醇偶聯(lián)以及隨后的氫化反應(yīng)。專注于這項技術(shù)的SCET的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究涵蓋了從反應(yīng)動力學(xué)到催化劑設(shè)計和系統(tǒng)集成的整個范圍。在SCET發(fā)明的高效，穩(wěn)定和堅固的鈀基催化劑可將鈀的使用量減少80％，從而將催化劑成本降低60％。
該團隊還發(fā)明了大規(guī)模制備銅基催化劑的技術(shù)，該催化劑用于將草酸二甲酯加氫成乙二醇，從而大大提高了其選擇性和穩(wěn)定性。他們的合成氣制乙二醇工藝技術(shù)使工廠能夠清潔，穩(wěn)定地長期運行。將合成氣轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品（例如草酸，碳酸鹽和乙醇）的多種解決方案已經(jīng)利用了工業(yè)廢氣的使用，從而為化學(xué)工程企業(yè)減少了排放并提高了效率。由于這些成果，SCET贏得了多項國際和國內(nèi)發(fā)明專利。
·?技術(shù)轉(zhuǎn)讓的新領(lǐng)域
諸如乙醇和乙酸乙烯酯的化合物也可以由生物質(zhì)生產(chǎn)。作為中國生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究的先驅(qū)，SCET正在利用技術(shù)來支持生物質(zhì)能源的發(fā)展。利用SCET的先進技術(shù)建立了一個20萬MTA燃料乙醇工廠，用荒地上種植的木薯生產(chǎn)生物乙醇。它是世界上同類最大的商業(yè)工廠之一。該項目獲得了國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎，以及世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）的金獎。該團隊還建立了一個平臺，用于從生物乙醇生產(chǎn)各種化學(xué)品，在此基礎(chǔ)上，他們還開發(fā)了使用生物質(zhì)作為原料生產(chǎn)乙酸乙烯酯的技術(shù)。這項技術(shù)導(dǎo)致了世界上第一家生產(chǎn)工廠，該工廠的年產(chǎn)量為5萬噸乙烯和10萬噸乙酸乙烯酯，這些原料來自生物質(zhì)材料。
除了將生物質(zhì)用于能源產(chǎn)品之外，SCET還于2018年成立了前沿生物學(xué)合成生物學(xué)中心，以促進合成生物學(xué)技術(shù)的商業(yè)化并支持生物工業(yè)的創(chuàng)新。該中心由教育部贊助，專注于基因組合成和細胞工廠建設(shè)等問題。
圖4、合成生物學(xué)是SCET的一個重要研究領(lǐng)域
具體的研究重點包括合成基因組學(xué)，例如基因組設(shè)計，化學(xué)合成和組裝，以實現(xiàn)高通量和低成本的DNA合成；人造細胞的設(shè)計和建造，包括代謝網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計，以及功能途徑的自動組裝，以實現(xiàn)用于制藥，化學(xué)產(chǎn)品和能源材料的細胞工廠建設(shè)；光電驅(qū)動的人工合成系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光和電來實現(xiàn)生物合成和質(zhì)量轉(zhuǎn)化；以及用于DNA信息存儲，藥物制備和藥物傳遞的合成生物學(xué)新理論和新技術(shù)。
?SCET研究人員已經(jīng)開發(fā)出可生物降解和生物相容的材料，用于生物醫(yī)學(xué)。這些包括基于核酸分子，納米化合物和納米機器人的水凝膠，可用于在基因治療中遞送干細胞；用于癌癥治療中藥物遞送的聚合物納米載體；蛋白質(zhì)基心臟支架材料；一種用于人造胰島的新型材料，可以保護細胞免受免疫系統(tǒng)的侵害。
·?更好的工業(yè)材料
SCET的材料創(chuàng)新還包括開發(fā)用于水凈化，烯烴-石蠟分離和碳捕獲的高性能膜。該團隊將仿生學(xué)和生物靈感的哲學(xué)帶到了膜工藝中，為材料設(shè)計和制造，結(jié)構(gòu)和微環(huán)境操縱以及大規(guī)模運輸開發(fā)了新穎的途徑和平臺。SCET發(fā)明了制備防污膜的表面分離方法，以及生物啟發(fā)的混合和復(fù)合膜制備方法，為此，他們建立了一條大規(guī)模的生產(chǎn)線。他們在有機骨架膜的制備和使用方面進行了關(guān)鍵性的工作。他們用于抑制膜污染的新理論結(jié)束了滲透性和選擇性之間的權(quán)衡。
基于對結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究，SCET提出了允許在多級膜結(jié)構(gòu)中進行多種選擇，實現(xiàn)優(yōu)先吸附，以及大分子比小分子先滲透的方法。
復(fù)合薄膜反滲透膜常用于海水淡化，可被生物污垢和游離氯氧化降解。SCET發(fā)現(xiàn)，在膜表面接枝乙內(nèi)酰脲衍生物可使其具有抗氯性和無菌性。通過二次界面聚合，自由基接枝和物理涂層的結(jié)合，這種膜的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)取得了巨大的成功。
廣泛用于光電轉(zhuǎn)換器中的有機光電材料構(gòu)成了SCET的另一個新材料研究重點。多年來，一個團隊一直在研究金屬酞菁納米材料的合成，純化和晶形調(diào)控方法，以及它們在激光有機光電導(dǎo)體中的光電導(dǎo)性能。所得材料具有出色的光敏性，并且被主要品牌用于激光打印機和復(fù)印機。
利用納米材料的高光電轉(zhuǎn)換能力，SCET研究人員開發(fā)了一種具有高近紅外響應(yīng)度（660-800nm）的柔性光電探測器，以及用于自驅(qū)動光電傳感器的大面積，穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜晶體。
對用于高遷移率空穴和電子傳輸?shù)姆肿釉O(shè)計，合成和應(yīng)用技術(shù)的研究導(dǎo)致了有機電致發(fā)光顯示器的印刷技術(shù)的發(fā)展，并改善了功能膜的印刷工藝。他們的發(fā)明還包括可印刷的發(fā)光油墨。
·?專注于綠色能源研究
SCET對可持續(xù)性的承諾體現(xiàn)在對新能源材料和技術(shù)的研究中。研究人員已經(jīng)改進了鋰硫電池的存儲和催化反應(yīng)，鋰硫電池是鋰離子電池的流行替代品。他們領(lǐng)導(dǎo)使用催化來解決可溶性多硫化物的“穿梭效應(yīng)”，這會導(dǎo)致鋰腐蝕，容量下降和電解質(zhì)的過度使用，延長了充電過程，降低了能源效率。這項研究正在消除鋰鋰電池的應(yīng)用和商業(yè)化障礙。研究人員還提高了緊湊型電池和超級電容器的體積能量密度。他們提出了石墨烯和納米材料對高密度電極的毛細管致密化策略。他們生產(chǎn)的高體積能量密度超級電容器和鋰離子電池對于開發(fā)電動汽車和需要在有限空間內(nèi)存儲能量的便攜式設(shè)備非常重要。
另一個例子是研究電化學(xué)還原二氧化碳以閉合碳回路。SCET研究人員設(shè)計了高效的電催化劑，并利用太陽能將二氧化碳減少為增值產(chǎn)品。為了增強CO2鍵的裂解，設(shè)計了催化劑的表面結(jié)構(gòu)以加速吸附和活化。通過調(diào)節(jié)催化劑表面吸附劑的濃度和類型，可以提高CO2還原催化劑的選擇性和穩(wěn)定性。他們還找到了促進CO2轉(zhuǎn)化為甲醇和多碳產(chǎn)品的方法。電催化CO2還原技術(shù)的進步導(dǎo)致了有效的人工光合作用的發(fā)展，使CO2可以“綠色”轉(zhuǎn)化為氣體和液體燃料。
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