2月，美国国家科学院发布《化学工程新方向》报告^[1]，从能源系统脱碳、环境的可持续发展、药物、制造和循环经济、材料、未来化学工程工具等领域阐述了化学工程师面对的挑战及机会，并提出了相关建议。

美国国家科学院1988年发布的《化学工程前沿：研究需求和机遇》报告，为化学工程领域提出了重要愿景，被认为是过去30年美国化学工程取得进步的关键驱动力。2016年，美国化学工程师学会（AIChE）圆桌会议提出化学工程领域需要一个面向21世纪的新愿景，为化学工程未来10~30年的发展提供指导。2019年，美国国家科学院化学工程委员会成立，历时18个月，完成了这一报告。

一、能源系统的脱碳

化学工程在从化石燃料向可再生能源过渡过程中发挥了关键作用，其贡献包括能源载体的生成、储存和分配，以及各个部门的能源使用和转换。

1、太阳能。从长远来看，实现净零碳排放需要光化学、电化学和工程方面的重大进步，以实现对太阳能的有效利用。为此，需要新的系统来提高光子捕获和转化为电子的效率、改进电子储存、推动光子直接或按次序地转化为能量载体。具体包括：通过逐步改进设备结构和设计、降低制造成本、提高可靠性和耐用性等促进光伏太阳能电池板市场的开拓；研究钙钛矿的成分组成，以最大限度地减少降解并确保电池系统可长期可靠运行；加强在催化剂的合成、表征和机理分析方面的研发，以推动将光子转化为H₂、NH₃或有机燃料；开发能够承受苛刻的化学、光化学和化学反应，以及复杂流体动力学系统中电化学环境的材料。

2、化石燃料。至少在2050年之前，化石燃料将继续在能源结构中发挥关键作用，因此，当务之急是减少化石燃料的碳足迹。具体包括：在煤炭方面，提高热效率，

进一步改善排放控制和减少水消耗；在天然气方面，将用作压裂剂的水的用量降至最低或发现水的替代物，改进天然气的储存和运输，更好地将天然气与可再生能源结合起来；在石油方面，改进水管理，提高采收率以延长油井寿命，开发数据驱动的油藏管理方法，改进对甲烷的管理；此外，减少与所有类型化石燃料相关的温室气体排放将需要示范具有成本效益和安全的碳捕获和储存方法。

3、生物燃料。利用废弃植物物质、藻类等生物碳生产生物燃料，一直被认为是抵消化石燃料燃烧产生温室气体排放的一种手段。由于大多数生物原料的能量含量低于化石燃料，因此，增加生物燃料的使用面临的最大挑战，是能以合理的成本生产高密度燃料，使之能与现有的化石燃料竞争。此外，还需考虑收割作物的环境后果，电动汽车应用的潜在快速增长可能会更广泛降低交通燃料的需求。这需要系统权衡经济、环境和技术等因素来选择最可行的生物燃料。具体包括：将现有炼油厂资产与生物精炼厂充分整合，并更多地使用可再生能源，可在极大减少碳足迹的同时降低低碳液体燃料的成本。

4、间歇式能源。风能领域，重点关注材料研究、开发和工艺：碳复合材料制备的风力涡轮机、低二氧化碳排放的水泥和钢材制造工艺、风力涡轮机润滑剂、将风能整合到化工生产中及提高涡轮机组件寿命等。海洋能领域，可开发以下产品：能承受海水腐蚀的材料、可应对波浪周期性运动的柔性材料、水下设备的防污涂料、能将机械能转化为电能的聚合物等。此外，还可开发新的合成燃料，以推进清洁氢气生产；开发新的电池材料，对当下有竞争力的电池技术进行寿命评估，设计可安全报废的电池等，以推动向低碳能源系统转型。

5、工业部门脱碳。水泥、钢铁和化工生产所排放的二氧化碳约占工业二氧化碳排放总量的70%，减少相关排放对于减少全球制造业领域二氧化碳排放至关重要。化学工程可利用的机会有：使用替代原材料提高混凝土性能和耐久性；开发创新方法，以低能耗和低成本将大规模非净化二氧化碳用于不同的应用和产品流；促进在水泥窑中使用废生物质和绿色氢气；评估电解生产铁工艺的商业可行性；开发持续分析和评估高炉运行的方法；改进过氧化氢-环氧丙烷（HPPO）工艺；降低燃料转换为氢气和其他低碳燃料的技术障碍等。此外，为实现工业净零排放目标，需要在未来几十年内大力推进如下脱碳策略：减少对高二氧化碳排放产品的需求、提高能源效率、促进燃料转换和电气化、推进技术变革及减排。

6、碳捕集、利用与封存（CCUS）。CCUS对于控制大气中的碳浓度至关重要，化学工程可利用的机会包括：设计高性能溶剂和开发环境友好的溶剂工艺；设计低成本吸附剂材料和可提高传质系数、高通量和低压降的工艺；开发持久稳定的催化剂；设计碱性反应物的绿色合成路线；通过捕获二氧化碳从化石燃料中生产氢气；利用催化、电化学和光化学方法将二氧化碳转化为燃料、化学品和新材料；开发受微生物和生物启发的二氧化碳转化方法等。

建议：①在整个能源价值链中，联邦研究资金应该用于促进将能源结构转变为低碳强度能源的技术；开发新型低碳或零碳能源技术；促进光化学发展；尽量减少与能源系统相关的用水；开发经济高效、安全的碳捕获、使用和储存方法。②学术和政府实验室的研究人员以及行业从业人员应形成跨学科、跨部门的合作，重点关注低碳能源技术的试点和示范规模项目以及建模和分析。

二、环境系统的可持续解决方案

到2050年，地球人口预计将增长到90亿以上，这将导致粮食需求增加60%，能源需求增加80%，水需求增加55%，且这三者之间是高度相关的。鉴于解决方案需要既具有环境可持续性，又具有经济可行性，未来几十年里化学工程将继续在水、食品和空气质量方面贡献力量。

1、水净化。水资源短缺、保护和净化是全球性问题。化学工程从分子水平到系统层面解决问题的能力对于解决这些挑战至关重要。具体机会包括：更好地理解水结构和动力学的基本原理，开发膜和其他分离方法；采用物理吸附（绿藻吸附、膜技术去除和过滤技术）和过滤、生物去除和摄入以及化学处理方法去除海洋微塑料；开发持久性微量化学品的回收技术以促进水中磷、稀土元素和能源相关元素（锂）的回收和重复利用；开发环境友好的聚合物或表面活性剂，实现高效油水分离。此外，可通过设计更高效的工艺和开发使用淡水的替代流体来实现节水目标。

2、粮食。食品生产问题本质上是全球性的，化学工程中的多尺度系统性思维对于实现向更可持续的农业系统转变至关重要。具体机会包括：利用生物和催化转化技术生产食品，开发动物蛋白质的替代品，有效回收和合理应用氨和尿素等肥料，开发更高效的氨生产工艺，开发可以精确输送肥料、杀虫剂和除草剂的技术和工艺以降低对环境的影响，开发涂层材料以延长食物的保质期等。此外，如果能调整化学工程和生物技术领域的现有专业知识体系，以适应大规模生产新食品的挑战，化学工程将会对未来的食物来源产生巨大影响。

3、空气质量。在全球范围内，空气污染是导致死亡的第四大危险因素，仅次于高血压、吸烟和高血糖。改善空气质量的一个主要挑战是在化学反应的分子尺度和大气模型的大尺度之间架起桥梁。可通过提高对气溶胶粒子属性的理解，研发可监测、化学表征气溶胶空间分布的传感器技术，改进发动机使其具有燃油经济性、开发可以分解或转化污染物的催化工艺等途径，减少或消除空气污染物排放。此外，利用数据科学和多尺度模型阐释大气化学原理，并结合过程建模弥补观测和理论之间的差距，也是化学工程可以利用的机会。

建议：联邦研究资金应用于基础研究和应用研究，以促进对水的结构和动力学的基本了解，开发去除和回收日益具有挑战性的污染物所需的先进分离技术；最大限度减少农业和食品生产对土地、水和养分的需求。学术和政府实验室的研究人员以及行业从业人员应形成跨学科、跨部门的合作，重点关注代谢工程、生物工艺开发、精确农业、实验室生产的食品，以及改进食品保存、储存和包装的可持续技术的发展。

三、工程定向和可获得的药物

化学工程将继续在医药和医学应用的分子和材料的发现、开发过程及规模方面发挥作用，以解决健康和医学问题。未来20年，化学和生物分子工程将在以下方面发现机会：推进个性化医疗（开发模型、设计药物及建模）和生物分子工程（包括蛋白质、核酸等，如病毒和细胞）发展；连接材料/设备/健康之间的接口；加强对系统生物学和合成生物学工具的使用，便于利用数据科学和机器学习了解生物网络；利用工程方法解决医疗公平和医疗保健的获得性等。

1、改进个性化医疗的计算工具和建模。将系统生物学应用于生理学是化学工程为个性化医疗做出的另一个贡献。具体机会包括：传感器设计和分析；故障检测，使用生理、细胞、代谢或其他数据来识别功能变化；过程建模，以表示生物系统的复杂关系，并预测行为；了解和修饰与正常生理和疾病相关的分子影响途径和基因网络。

2、免疫工程。简单且有效识别特定生物标记物，以确定具有自身免疫或其他疾病的患者的免疫状态这一任务非常艰巨。化学工程中的定量分析技能在癌症免疫疗法、疫苗设计以及传染病和自身免疫性疾病的治疗方面可做出贡献。具体机会包括：药物开发、缓释给药、靶向给药、完全非侵入性给药方法，以及可以检测病原体和监测免疫生物标志物的化学工程诊断方法等。

3、生物制剂。药物发现是开发新型药物的关键，但这只是开发阶段的开始，在大规模生物药的制造过程的每一步（包括工业级产品的生产、纯化和配方）都面临着重大挑战。化学工程师可与生物学家和生物化学家合作，对细胞进行修饰及开发新的生物工艺。

建议：对生物分子工程的研究资助应该用于基础研究；学术和政府实验室的研究人员以及行业从业人员应形成跨学科、跨部门的合作，以开发先进制药工艺的试点和示范规模项目。

四、柔性制造与循环经济

化学工程情景中，为利用规模经济，大多数传统制造过程都是在非常大的规模和资本密集型集中设施中运行的。然而，柔性原料的价值化，制造业的电气化、规模化和分布式制造概念等的不断发展，将在未来的化学工程中发挥关键作用。

1、原料。利用更广泛的可用原料可促进制造工艺继续朝着更高效、更环保、更具成本效益的方向发展，以生产现代社会所需的化学品和材料。化学工程可使用更广泛的可用原料，促进石油制造工艺的发展；使用含氧原料（木质纤维素生物质）和还原化学反应以满足制造过程对原料灵活性的要求；开发可扩展的分布式制造系统，以及可与化石资源的转化相竞争的创新的大规模工艺。此外，还可收集可靠的热力学数据，以促进包括氧和其他杂原子在内的原料分子的建模等化学工程领域内的相关基础研究。

2、过程强化与模块化制造。化学工程策略可开发创新工艺，以改进化学过程，还可消除现有大规模工艺的瓶颈。此外，化学工程可在模块化制造和工艺强化领域提供智力指导，这两个领域的成功取决于过程规模，化学工程既要证明目标工艺在“实验室规模”是可行的，还要与过程建模及生命周期评价等相结合，使该工艺适合大规模投资，以及开发新材料和工艺，以便以合适的规模和成本对其进行部署。在模块化制造和工艺强化领域，增材制造的快速发展为化学工艺新设备的生产提供了更多的可能性，化学工程可利用的机会包括：促进更快且具有更高分辨率打印技术的发展；使用多种或更多先进、可持续材料；与机械和软件工程师合作，改进技术，扩展制造过程等。

3、循环经济。在循环经济模式中，通过高效制造材料和产品并对其进行再利用的方式来防止材料浪费。在从线性经济向循环经济过渡的过程中，化学工程可利用的机会包括：重新设计工艺和产品以减少或消除污染；开发减少和利用废物的新方法；设计使用寿命更长的产品；使用可持续原料设计工艺和产品。具体的技术包括：回收体积大、收集率低的聚合物；净化体积大、收集率高的材料，如纸张、纸板、玻璃、钢材等；开发目前体积小、收集率低的高价值材料，如3D打印材料和生物基材料等。

建议：联邦研究资金应用于基础研究和应用研究，以促进模块式制造和过程强化领域，以及向循环经济转型所需的创新技术的发展，包括改进的产品设计和回收工艺；学术和政府实验室的研究人员以及行业从业人员应形成跨学科、跨部门合作，重点关注先进制造业的试点和示范规模项目，包括缩小和规模化流程、过程强化，以及从化石有机原料和未加工的无机原料向新型、更可持续的化工和材料制造原料的转变。

五、面向21世纪的新材料

从分子尺度到宏观尺度，化学工程在开发新的材料及材料加工过程中起着关键作用，并将基于对化学合成和催化、热力学、输运和流变学以及工艺和系统设计的理解，在聚合物科学和工程的持续发展中发挥独特的作用。

1、聚合物科学和工程。化学工程师在聚合物化学、热力学和动力学方面的专业知识使之非常适合设计和理解热力学和动力学等驱动力之间的相互作用，并最终决定聚合物材料的宏观功能特性。可利用的机会包括：预测聚合物的性能和行为，结合多尺度模拟和人工智能，设计构建模块和处理策略实现聚合物材料自下而上的精准制备；了解催化、聚合物化学和加工过程中快速变化的熔体流变学，以开发可行的解聚工艺；开发更绿色的替代性可伸缩塑料，解决塑料降解所面临的社会挑战。

2、复杂流体和软物质。过去二十年，在复杂流体和软物质中组装先进功能材料，化学工程师一直处于该领域的开发前沿。纳米技术的出现，为这一领域带来了紧迫性。针对复杂流体，化学工程可继续利用的机会包括：研究远离平衡状态的软物质（包含多相流体）的静力学和动力学问题；设计界面探针，以了解界面动力学，促进界面自组装和定向组装的理解和应用。纳米颗粒的设计、合成和组装是软物质领域的重要方向，化学工程可利用的机会包括：理解、设计自组装过程的热力学和动力学；将组装工程与活性纳米颗粒相结合，在纳米尺度上创造具有机器人功能的新型材料和材料机器。

3、生物材料。生物材料设计在化学工程中获得了长足发展，化学工程的进步促进了利用可降解和生物衍生聚合物系统的临床转化。化学工程可利用的机会包括：再生工程材料（水凝胶）和器官芯片技术；开发新的、更易于操作的生物油墨材料系统，以创建与器官和功能组织一样的具有精确排列的特定细胞的复杂图案结构；了解纳米颗粒在人体内传输和分布的显著差异，以指导采用合适的纳米载体来治疗癌症等靶向疾病；促进纳米颗粒在无血管软骨组织和血脑屏障等神经系统疾病治疗的应用；生成包含纳米载体与一系列肿瘤相关细胞相互作用的重要数据库，以理解和指导针对肿瘤或肿瘤相关细胞的纳米载体的设计。

4、电子材料。化学工程在发现、设计和制造电子设备所需的材料方面发挥了核心作用，而且近些年对电子设备以及这些材料的需求一直增长。化学工程在半导体制造过程需要面对的挑战包括：提高材料纯度以应对上/下游工艺对纯度提升的要求；考虑制造过程的环境因素，以应对全球对环境和材料兼容性的相关要求；提高和加强配方的稳定性及其对空气的敏感性，以及易燃或有毒材料的安全处理等。此外，反应器设计、分离和过程强化等化学工程专业知识对电子材料行业的成功和增长至关重要。

建议：联邦和企业研究投资应用于聚合物科学与工程，重点关注生命周期、多尺度模拟、人工智能和结构/性能/加工方法；对复杂流体和软物质领域的基础问题进行研究；纳米颗粒的合成和组装，目的是通过自组装或定向组装创造新材料，以及提高纳米疗法的安全性和有效性；发现和设计新的反应方案和纯化工艺（持续关注过程强化），尤其是与电子材料相关的方案和工艺。

六、实现化学工程未来的工具

推动未来化学工程发展的工具和能力分为两种：一种是渐进式的，更具可预测性；另一种是革命性的，其开发或应用将以难以预测或预期的方式改变化学工程研究和实践的格局。化学工程革命最初是由还原论模型推动的，下一次革命将是由人工智能提供动力的数据所驱动。

1、数据科学和计算工具。开发可实时合成可用数据的工具，以及将数据转化为信息和可用知识的框架或模型，可能成为未来几十年化学工程对社会的关键贡献之一。化学工程可利用的机会包括：有效获取和组织数字化实验数据的必要基础设施；数据科学方法与基于物理的传统模型结合，提升利用数据进行预测的准确性；开发可评估数据质量的工具，使用并整合多源数据以生成有价值的信息；技术数据与社会学数据相结合等。

2、建模和仿真。计算机技术的快速发展、计算能力和数据存储的空前增长，加上由极其高效的计算方法支持的用户友好的建模和仿真软件包的现成可用性，促进了化学工程中的现代建模和仿真。化学工程教育领域可利用的机会包括：利用建模和仿真模拟来补充和扩展教学方法，加深学生对化学工程课程的理解；与人工智能和虚拟现实技术相结合，将为学生提供虚拟操作整个化工厂的体验。研究应用领域可利用的机会包括：建立可连接不同尺度范围（原子、分子、纳米、介尺度等）的模型，并开发可互操作的模拟工具，为系统模型的开发提供信息。化工制造领域可利用的机会包括：开发可将过程操作数据与来自供应链、政策、经济趋势、全球市场和气候预测的其他辅助数据无缝集成的系统，以优化生产计划、调度和操作。

3、新型仪器和传感器。化学工程可为超越当前的基础和实用见解的下一代仪器的开发做出贡献。可利用的机会包括：构建具有分子级精度的材料的工具和仪器；了解受限空间中复杂流体的流动，实现片上系统的设计、分析和有效部署；实时分析传感器数据，以实现先进的工艺和产品优化；能无缝连续监测化学或者生物反应的小型传感器，利用人工智能和深度学习从现有复杂数据中提取新信息；开发用于测量特定分子丰度、关键参数（重金属含量）、治疗性药物浓度、可有效处理皮肤液中的少量分析物，并以适当的精度确定成分的传感器。

建议：①联邦和行业研究投资应用于促进人工智能、机器学习和其他数据科学工具的使用；提高建模、仿真和生命周期评估能力；开发新型仪器和传感器。②投资应集中在促使这些工具服务于基础化学工程研究和材料开发，以及加快向低碳能源系统的过渡；提高粮食生产、水资源管理和制造业的可持续性；增加医疗保健的可获得性等。

（张超星）