能源化学
课程信息
| 课程名称／课程号 | 适用范围与修读要求 |
|---|---|
| 能源化学 ENER3035M |
新能源 · 25级及以前、26级 专业选修 · 模块选修 |
课程简介
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本课程主要介绍能源化学基础知识并结合实例介绍相关应用。具体涉及以下三方面内容：1. 化学基础知识和化学基本原理，包括化学键、分子结构、化学热力学和化学反应动力学等化学基础知识；2. 能源利用过程直接相关的一些化学知识和技术，包括催化原理及催化剂制备和表征、碳一化学合成及能源化利用、生物化学技术及燃料合成等；3. 化学与其他学科形成的交叉学科包括光化学原理、电化学原理和等离子体化学等交叉学科基础知识。本课程以能源领域的化学基本原理为主线，结合相关的实际应用案例，课程将采用讲授与讨论相结合的方法。通过本课程的学习，有助于相关专业的本科生更加全面了解和掌握相关的化学原理，并可指导实际应用。
来源：教务网。
课程内容
分数构成
学生需要针对所布置的课题完成相关的调研报告，文献覆盖量在10篇以上，word统计字数在4000字左右（不低于3000字），该部分评分占40％；并制作成ppt在课堂演讲讨论，该部分评分占40％。平时表现20%，加强过程性考核，强化考核学生的主动参与度，增加考核学生对学科知识和课程思政有机结合的理解深度。
课程大纲
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课堂教学每周4学时，在春夏学期完成。
一）化学在能源环境中的应用及意义
理论讲授（1课时）
主要内容：介绍化学在能源环境中的应用及重要意义，使学生初步认识1）我国能源结构，应对生态环境保护和碳达峰碳中和所需要的能源变革，当今能源领域研究亟需的相关化学知识，化学与能源环境等学科的紧密联系；2）本课程的学习方法和学习要求。
二）化学反应热力学
理论讲授（2课时）
主要内容：介绍热力学函数的基本概念和应用、化学反应过程的能量变化、自发反应方向的判断、化学反应平衡等化学反应热力学相关的基本概念和内涵。课外学习与作业要求：1）检索相关典型大宗能源燃料及化学知识在其中的应用关联性；2）理解化学知识在能源领域的必要性和重要性。
三）化学反应动力学
理论讲授（2课时）
主要内容：介绍活化能和化学反应速率等化学反应动力学相关的基本概念和内涵。认识保持化学平衡和引起化学变化的一些重要因素，为后续实际应用积累知识储备。
四）物质结构基础
理论讲授（3课时）
主要内容：介绍原子结构认识的发展、微观粒子的运动特征、化学键和官能团等分子中所含有的特定结构与其对应的反应特性之间的联系；理解分子结构对反应特性的决定作用。课外学习与作业要求：1）切合动力学在实际能源转化和污染物脱除中的应用，进行系统检索；2）理解动力学参数和化学键等参数计算的相关步骤。
五）官能团
理论讲授（1课时）
主要内容：介绍能源化学物质中常见的官能团种类和结构特点，经典化学反应过程中官能团结构的变化。
六）化学在能源领域的应用
讨论课（1课时）
讨论主题：紧密结合自己正在开展或者将要开展的课题，做一个和化学密切相关的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）本课题开展过程中用到的一些化学知识；2）化学知识如何在其中发展作用；3）结合化学知识切入取得的1个经典案列。要在广度的基础上有深度，要有自己的发散思维和总结。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
七）催化原理
理论讲授（1课时）
主要内容：讲述催化反应涉及的基本概念，包括催化剂与催化作用、催化反应基本原理、催化剂的基本组成等，并介绍催化剂的制备方法及催化剂性能评价方法等，同时结合案例进行分析。理解基本概念并掌握根据实际应用需要解决具体问题方法。课外学习与作业要求：1）检索典型能源转化过程中的催化剂发展动态；2）强化对催化剂制备及表征的了解。
八）物质结构与能源转化过程的联系
讨论课（1课时）
讨论主题： 紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“物质结构与能源转化过程之间联系”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）在催化剂设计中，如何利用物质结构和官能团来增强催化活性和选择性；2）通过修饰官能团来改善能源材料的性能，如提高电池的能量密度、增强燃料的燃烧效率等；3）分析能源化学中常见的有机物的分子结构，及其在能源生产、转化和储存过程中的作用，如高热沉低冰点燃料、高密度燃料等。要在广度的基础上有深度，要有自己的发散思维和总结。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
九）催化剂制备与表征
理论讲授（1课时）
主要内容：介绍诸如浸渍法、沉淀法等经典的催化剂制备方法，了解纳米催化材料及其新型的催化剂制备方法。介绍催化剂体相表征方法和表面性能表征方法，包括元素组成、晶相结构和晶粒尺寸、表面形貌、孔结构和表面积、表面化学性能、活性物种价态分析等等。
十）碳一合成
理论讲授（1课时）
主要内容：讲述通过煤气化或者生物质气化制备合成气的相关知识，并进一步以合成气为原料，开展多途径多产品的合成，包括烃类燃料、醇类燃料、天然气和二甲醚等燃料。了解合成气合成醇烃醚类等燃料的相关基本特性和制备方法，从而对催化合成能源和传统汽柴油能源之间的差异有明确认识，进而认识到合成化学的重要意义。课外学习与作业要求：1）检索燃气、烃类等重要燃料制备技术的发展动态；2）强化对醇烃类燃料合成的了解。
十一）生物柴油化学
理论讲授（1课时）
主要内容：生物柴油作为生物基液体燃料最为广泛使用的一种液体燃料，本课程着重讲述通过植物油和地沟油制取生物柴油的方法。
十二）碳一合成在能源化学中的应用与前景：高效、可持续的能源转化路径
讨论课（1课时）
讨论主题： 紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“碳一合成在能源化学中的应用与前景：高效、可持续的能源转化路径”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）煤制清洁燃气的工艺路线、发展潜力和挑战；2）甲烷制烯烃工艺路线、化学原理与工程化实例；3）甲醇制烯烃工艺路线、化学原理与工程化实例；4）等离子在碳一化工中的应用；5）CO2催化转化国内外最新进展。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
十三）生物质热化学转化
理论讲授（2课时）
主要内容：介绍能源物质制备过程中的热裂解技术所牵涉到的热化学知识，包括生物质热裂解制取生物油、生物油的相关物化特性、以及生物油的提质改性。课外学习与作业要求：1）检索固体燃料热转化知识；2）强化对物质热转化的认知。
十四）生物化学
理论讲授（1课时）
主要内容：介绍生物化学技术的基本概念，着重介绍陈化粮等原料发酵制取乙醇的方法，使学生了解醇类燃料在可再生替代液体燃料中的重要地位。课外学习与作业要求：1）检索液体燃料在世界和我国的发展动态；2）强化对可再生液体燃料制备和应用的认知。
十五）生物基液体燃料的应用与发展前景
讨论课（1课时）
讨论主题：紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“生物基液体燃料的应用与发展前景”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）生物柴油生产技术的发展、关键工艺路线、化学原理与工程化实例；2）生物油生产、油品改性和应用技术的演变、发展前景和面临的挑战。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
十五）电化学
理论讲授（3课时）
主要内容：介绍电化学相关的基本概念、基本原理，认识和解释常见电化学现象。课外学习与作业要求：1）检索电化学在世界和我国的发展历史；2）强化对电动汽车电池制备和应用的认知。
十六）电池技术与电动汽车的未来发展
讨论课（1课时）
讨论主题：紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“电池技术与电动汽车的未来发展”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）锂离子电池的现状与挑战：分析当前锂离子电池在能量密度、充电速度、寿命及安全性等方面的优势和局限，探讨锂离子电池原材料（如锂、钴等）的可持续性及供应链问题；2）新型电池技术的探索：介绍固态电池、钠离子电池、镁离子电池等新型电池技术的原理和特点，讨论这些新型电池技术在电动汽车领域的应用潜力和挑战；3）电池回收与二次利用：讨论电动汽车电池回收的重要性及当前存在的挑战，探索电池二次利用的途径和可能性，如储能系统、备用电源等。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
十七）光化学
理论讲授（3课时）
主要内容：介绍光化学科学中的重要定律及基本原理，并介绍臭氧、氮氧化物、甲醛、卤代烃等重要气体的光解以及各种典型环境中的光化学。课外学习与作业要求：1）检索光化学在世界和我国的发展历史；2）强化对光化学在环境中的应用的认知。
十八）光化学反应在环境保护与能源利用中的应用与前景
讨论课（1课时）
讨论主题：紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“光化学反应在环境保护与能源利用中的应用与前景”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）结合具体实例说明光催化技术的发展、化学原理与面临的挑战；2）探讨光化学反应与电化学、生物技术等其他技术的融合方式，以拓展其应用领域并提高效率；3）应用本章所学光化学知识，试解释雾霾如何形成？为何一天内不同时间雾霾的程度也不同？
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
十九）等离子化学
理论讲授（3课时）
主要内容：介绍等离子体的基本概念和原理、形成和种类的等基础知识。课外学习与作业要求：1）检索等离子化学在世界和我国的发展历史；2）强化对等离子在环境和机械加工领域中的应用的认知。
二十）等离子体化学与能源环境：探索绿色能源的新路径
讨论课（1课时）
讨论主题：紧密结合能源环境领域的发展前沿，做一个关于“等离子体化学与能源环境：探索绿色能源的新路径”的课题报告总结和展示，内容包括但不限于1）等离子体在能源转化中的应用，如硫化氢分解制氢、合成新能源材料等，为绿色能源的开发提供新途径；2）等离子体在环境治理中的应用，如气态污染物脱除、废水处理、固废处理等方面；3）等离子体技术的挑战与机遇。
讨论形式：完成调研分析，分组汇报与讨论。
附：时间表
周次 |
学时 |
教学内容（要点） |
课程思政融入点和实施方法 |
教学形式（理论、讨论、实践、实验、测试等） |
1 |
4 |
1.化学在能源环境中的应用及意义（1学时） 2.化学反应热力学（2学时） 3.化学反应动力学1（1学时） |
思政融入点：强化能源领域中化学的认知了解对我国发展的重要性，厚植爱国主义情怀。 实施方法：结合自身以及实验室的科研发展讲述能源与化学的关联密切性。 |
理论讲授 |
2 |
4 |
1.化学反应动力学2（1学时） 2. 物质结构基础（3学时） |
思政融入点：讲述在热力学和动力学发展过程中科学家的求知精神。 实施方法：结合具体案例强化对热力学和动力学的认知。 |
理论讲授 |
3 |
4 |
1.官能团（1学时） 2.化学在能源领域的应用讨论课（1学时） 3.催化原理（1学时） 4. 物质结构与能源转化过程的联系讨论课（1学时） |
思政融入点：在催化原理的教学过程中，可以适当地引入唯物辩证的观点和方法论。 实施方法：在讲解不同催化剂的催化机理及其在实际生产过程中的应用时，引导学生理解事物之间的相互联系和变化规律，培养他们用辩证的眼光看待问题和分析问题的能力。 |
理论讲授+讨论 |
4 |
4 |
1.催化剂制备与表征（1学时） 2.碳一合成（1学时） 3.生物柴油化学（1学时） 4. 碳一合成在能源化学中的应用与前景：高效、可持续的能源转化路径讨论课（1学时） |
思政融入点：通过对国家能源战略用燃料制备方法的讲授，培育学生对能源发展建设的贡献精神。 实施方法：通过多种制备方法的阐述来强化对合成化学的认知。 |
理论讲授+实验视频+讨论 |
5 |
4 |
1.生物质热化学转化（2学时） 2.生物化学（1学时） 3. 生物基液体燃料的应用与发展前景讨论课（1学时） |
思政融入点：强化对我国乡村振兴建设的认知和提升学生支援农村建设的热情。 实施方法：通过对热解知识讲授让学生体会到如何以科技振兴乡村建设。 |
理论讲授+讨论 |
6 |
4 |
1.电化学（3学时） 2.电池技术与电动汽车的未来发展讨论课（1学时） |
思政融入点：强化能源领域中电化学的认知了解对我国发展的重要性，厚植爱国主义情怀。 实施方法：结合自身以及实验室的科研发展讲能源与电化学的关联密切性。 |
理论讲授+讨论 |
7 |
4 |
1. 光化学 2. 光化学反应在环境保护与能源利用中的应用与前景讨论课（1学时） |
思政融入点：强化能源领域中光化学的认知了解对我国发展的重要性，厚植爱国主义情怀。 实施方法：结合自身以及实验室的科研发展讲能源与光化学的关联密切性。 |
理论讲授+讨论 |
8 |
4 |
1. 等离子化学 2. 等离子体化学与能源环境：探索绿色能源的新路径讨论课（1学时）
|
思政融入点：强化能源领域中等离子化学的认知了解对我国发展的重要性，厚植爱国主义情怀。 实施方法：结合自身以及实验室的科研发展讲能源与等离子化学的关联密切性。 |
理论讲授+讨论 |