天津大学化工学院,化工全国第1,只为创造更好生活

天津大学化工学院通过培养优秀学生和开展前沿化学研究,为推动中国国家发展发挥了关键作用。该校致力于核心化学工程技术,以及合成生物学、绿色化学技术和应用于能源、环境和工程的新材料,促进了跨学科发展,将成果转化为生产力。

125年历久弥新!《Nature》专题报道天津大学化工学院,化工全国第1,只为创造更好生活

院长专访

天津大学(Tianjin University),简称 “天大” ,坐落于天津市,是由教育部直属的全国重点大学,是国家“世界一流大学建设高校A类”、国家首批“211工程”和“985工程”重点建设高校,天津大学原名北洋大学,前身是1895年由光绪皇帝批准、盛宣怀出任学堂首任督办的 “北洋大学堂” 。北洋大学堂自创办之始,就仿照美国的大学模式,全面系统地学习西学。1951年,北洋大学与河北工学院合并,由国家定名为天津大学。天津大学化工学科是1952年院系调整时,由当时的北洋大学、南开大学、燕京大学、辅仁大学、北京大学、清华大学、河北工学院、唐山铁道学院等高校的化工系合并组成,1997年,在原化工系的基础上成立了天津大学化工学院。长期以来,化工学院秉承“坚持一流标准,培养一流人才,争创一流成果,做出一流贡献”的发展目标,“化学工程与技术”一级学科连续3次蝉联全国第一,“天津化学化工协同创新中心”成为全国首批14个“2011协同创新中心”之一。

近日,天津大学化工学院(SCET)院长马新宾阐述了天大化工是如何利用科学研究对社会发展做出贡献?《Nature Research》以“Advancing chemical engineering education”和“Innovating for success”为题进行了相关报道。

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图1、天津大学化学工程与技术学院(SCET)院长马新宾

·SCET的任务是什么?

我们致力于培养优秀的学生,产生一流的研究成果,并为国家发展做出贡献。为了实现这些目标,我们推动了化学工程领域的高等教育改革,召集了一流的教职员工来促进技术创新,并扩大了国际合作。我们也带动了化学工业的发展。

·SCET在其悠久的历史中如何建立学术实力?

 在其125年的历史中,天津大学一直是多代学术领袖的故乡,也是培养学生的摇篮。早在1920年代,天津大学的前身北洋大学就建立了工业化学演讲厅,吸引了侯德榜和后来的丁绪淮等著名的化学工程专家在这里任教。这为我们的学术课程和化学工程专业人才培养奠定了坚实的基础。在1952年的全国大学重组中,七所著名大学的化学工程系合并,聚集了该领域的专家和天津的年轻人才,进一步巩固了我们的地位。在1980年代,我们通过产学合作推动行业发展的努力推动了我们的快速发展。从2003年到2017年,SCET在中国教育部的化学工程和技术学科评估中一直排名第一。2017年,入选国家“双一流”计划,标志着发展的新篇章。

· 是什么使SCET成为如此出色的化学工程培训课程?

作为亚洲最早的两所学校之一,也是中国第一所获得化学工程师学会(IChemE)认证的硕士学位,我们在国际上享有很高的声誉。我们的毕业生成为国际认证的极具竞争力的化学工程师。SCET以教育世界一流的工程师而自豪,他们致力于实现卓越的技术并从事实中寻找答案。相应地建立了课程系统以关注学生的解决问题的能力。我们还建立了一个教育平台,在我们先进的教学设施的支持下,将企业实践,工程技能培训,研究,学术竞赛和企业家精神相结合。我们的学生在全国和全球竞赛中均获得了多个奖项,包括AIChE杰出学生分会奖。

我们还与其他着名的中国大学建立了伙伴关系,以证明我们在化学工程教育中的领导作用,这些大学旨在改善课程开发和该领域的培训。我们为专业培训设置的指导方针和认证系统获得了国家奖项的认可。

化学工程教育的扩展标志着SCET的新增长。迄今为止,我们已经吸引了来自六大洲50多个国家的国际学生,他们为SCET的计划带来了新的活力,增强了我们的全球化和多样性。

· 您如何通过协作来增强程序?

开放的态度对于建立世界一流的化学工程计划至关重要。我们已经与世界著名的大学和研究机构建立了合作伙伴关系,其中包括爱丁堡大学和加利福尼亚大学伯克利分校。这些使学生可以交流,使我们的培训计划更加全球化。我们的网络还扩展到科莱恩(Clariant)和阿斯利康(AstraZeneca)等国际公司,并为研究项目合作和学生实习建立了合作基地。我们还组织了国际会议,吸引了世界一流的专家。这些合作促进了知识和文化交流。

成果集锦–将创新转化生产力

推动技术创新是当今大学的使命。天津大学化工学院(SCET)正在探索前沿领域的创新。通过产学合作,它正在加速知识,技术,产品和行业的协同创新,将研究成果转化为生产力,并推动经济增长。

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图2、天津大学化学工程与技术学院(SCET)

· 推动化学工程发展

蒸馏是最常见的分离技术之一,已从炼油到散装化学品被广泛使用。作为过程工业的关键技术,它是SCET的首要任务。SCET拥有四个国家级的蒸馏技术平台,具有在该领域取得突破的良好条件,包括开发中国最大的蒸馏塔。

结合分离理论,流体动力学以及过程分析和优化方法,SCET研究人员开发了用于大型填料和塔板(蒸馏塔的核心)的技术。填料是处理各种气体和液体流速的理想选择,而塔板通常用于真空蒸馏。在大型蒸馏设备的内部构件的设计和优化中也使用了各种可视化技术。由此产生的塔使蒸馏能力每年翻一番,达到1000万吨,并在中国的大型炼油厂得到广泛使用。

SCET研究人员还开发了用于反应蒸馏的节能技术和增强的集成技术,这些技术已在工业中使用。他们的油淬系统已广泛用于大型乙烯加工厂。同时,他们基于具有多孔介质的非金属泡沫材料,设计了用于气体和液体传质的新型内件,并建立了蒸馏过程的理论模型,从而将其泡沫材料传质单元用于聚酯,炼油,多晶硅,以及空分行业。

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图3、这家由中石化福建石化公司运营的乙烯装置采用SCET技术,年产量达80万吨。其油淬塔具有直径为11.5米的填充柱,是中国最大的填充柱

SCET也是国家工业结晶工程技术研究中心所在地,开展结晶过程研究,SCET是该领域唯一的国家级孵化基地。

为了支持医药,食品和其他行业中高端功能晶体产品和材料的开发,研究人员研究了结晶机理,系统工程和工业化过程,从而改进了技术和设备。该中心还提供从研发到设计和商业化的工程服务。其技术和设备在全国范围内使用,年产值超过12.3亿元。这些技术获得了多个国家和省级科学技术奖的认可。

丙烷脱氢技术还产生了经济利益,该技术用于生产丙烯,丙烯是薄膜包装,汽车和纺织工业中常用的原材料。SCET开发的催化剂可以达到40%以上的丙烯收率,而他们的新技术可以将系统能耗降低30%。这些低碳烷烃转化和利用技术正在石油企业中使用,在节能化学工程领域处于领先地位。

SCET关于将洁净煤转化为大宗化学品的研究最好地说明了可持续的化学加工。从合成气生产乙二醇(聚酯纤维和防冻剂的原料)需要一种综合技术,包括将CO与甲醇偶联以及随后的氢化反应。专注于这项技术的SCET的基础和应用研究涵盖了从反应动力学到催化剂设计和系统集成的整个范围。在SCET发明的高效,稳定和坚固的钯基催化剂可将钯的使用量减少80%,从而将催化剂成本降低60%。

该团队还发明了大规模制备铜基催化剂的技术,该催化剂用于将草酸二甲酯加氢成乙二醇,从而大大提高了其选择性和稳定性。他们的合成气制乙二醇工艺技术使工厂能够清洁,稳定地长期运行。将合成气转化为高附加值产品(例如草酸,碳酸盐和乙醇)的多种解决方案已经利用了工业废气的使用,从而为化学工程企业减少了排放并提高了效率。由于这些成果,SCET赢得了多项国际和国内发明专利。

· 技术转让的新领域

诸如乙醇和乙酸乙烯酯的化合物也可以由生物质生产。作为中国生物质转化研究的先驱,SCET正在利用技术来支持生物质能源的发展。利用SCET的先进技术建立了一个20万MTA燃料乙醇工厂,用荒地上种植的木薯生产生物乙醇。它是世界上同类最大的商业工厂之一。该项目获得了国家科学技术进步奖二等奖,以及世界知识产权组织(WIPO)的金奖。该团队还建立了一个平台,用于从生物乙醇生产各种化学品,在此基础上,他们还开发了使用生物质作为原料生产乙酸乙烯酯的技术。这项技术导致了世界上第一家生产工厂,该工厂的年产量为5万吨乙烯和10万吨乙酸乙烯酯,这些原料来自生物质材料。

除了将生物质用于能源产品之外,SCET还于2018年成立了前沿生物学合成生物学中心,以促进合成生物学技术的商业化并支持生物工业的创新。该中心由教育部赞助,专注于基因组合成和细胞工厂建设等问题。

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图4、合成生物学是SCET的一个重要研究领域

具体的研究重点包括合成基因组学,例如基因组设计,化学合成和组装,以实现高通量和低成本的DNA合成;人造细胞的设计和建造,包括代谢网络的智能设计,以及功能途径的自动组装,以实现用于制药,化学产品和能源材料的细胞工厂建设;光电驱动的人工合成系统,该系统利用光和电来实现生物合成和质量转化;以及用于DNA信息存储,药物制备和药物传递的合成生物学新理论和新技术。

 SCET研究人员已经开发出可生物降解和生物相容的材料,用于生物医学。这些包括基于核酸分子,纳米化合物和纳米机器人的水凝胶,可用于在基因治疗中递送干细胞;用于癌症治疗中药物递送的聚合物纳米载体;蛋白质基心脏支架材料;一种用于人造胰岛的新型材料,可以保护细胞免受免疫系统的侵害。

· 更好的工业材料

SCET的材料创新还包括开发用于水净化,烯烃-石蜡分离和碳捕获的高性能膜。该团队将仿生学和生物灵感的哲学带到了膜工艺中,为材料设计和制造,结构和微环境操纵以及大规模运输开发了新颖的途径和平台。SCET发明了制备防污膜的表面分离方法,以及生物启发的混合和复合膜制备方法,为此,他们建立了一条大规模的生产线。他们在有机骨架膜的制备和使用方面进行了关键性的工作。他们用于抑制膜污染的新理论结束了渗透性和选择性之间的权衡。

基于对结构-性能关系的研究,SCET提出了允许在多级膜结构中进行多种选择,实现优先吸附,以及大分子比小分子先渗透的方法。

复合薄膜反渗透膜常用于海水淡化,可被生物污垢和游离氯氧化降解。SCET发现,在膜表面接枝乙内酰脲衍生物可使其具有抗氯性和无菌性。通过二次界面聚合,自由基接枝和物理涂层的结合,这种膜的大规模生产已经取得了巨大的成功。

广泛用于光电转换器中的有机光电材料构成了SCET的另一个新材料研究重点。多年来,一个团队一直在研究金属酞菁纳米材料的合成,纯化和晶形调控方法,以及它们在激光有机光电导体中的光电导性能。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机和复印机。

利用纳米材料的高光电转换能力,SCET研究人员开发了一种具有高近红外响应度(660-800nm)的柔性光电探测器,以及用于自驱动光电传感器的大面积,稳定的钙钛矿薄膜晶体。

对用于高迁移率空穴和电子传输的分子设计,合成和应用技术的研究导致了有机电致发光显示器的印刷技术的发展,并改善了功能膜的印刷工艺。他们的发明还包括可印刷的发光油墨。

· 专注于绿色能源研究

SCET对可持续性的承诺体现在对新能源材料和技术的研究中。研究人员已经改进了锂硫电池的存储和催化反应,锂硫电池是锂离子电池的流行替代品。他们领导使用催化来解决可溶性多硫化物的“穿梭效应”,这会导致锂腐蚀,容量下降和电解质的过度使用,延长了充电过程,降低了能源效率。这项研究正在消除锂锂电池的应用和商业化障碍。研究人员还提高了紧凑型电池和超级电容器的体积能量密度。他们提出了石墨烯和纳米材料对高密度电极的毛细管致密化策略。他们生产的高体积能量密度超级电容器和锂离子电池对于开发电动汽车和需要在有限空间内存储能量的便携式设备非常重要。

另一个例子是研究电化学还原二氧化碳以闭合碳回路。SCET研究人员设计了高效的电催化剂,并利用太阳能将二氧化碳减少为增值产品。为了增强CO2键的裂解,设计了催化剂的表面结构以加速吸附和活化。通过调节催化剂表面吸附剂的浓度和类型,可以提高CO2还原催化剂的选择性和稳定性。他们还找到了促进CO2转化为甲醇和多碳产品的方法。电催化CO2还原技术的进步导致了有效的人工光合作用的发展,使CO2可以“绿色”转化为气体和液体燃料。

参考链接:

https://www.nature.com/articles/d42473-020-00460-x

https://www.nature.com/articles/d42473-020-00461-w

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