以培养“双碳”复合型人才为目标的环境材料课程教学改革探索

摘  要：在碳达峰碳中和的重大战略部署下，以环境工程专业学科特点为基础，探索新型人才培养方式，是实现碳中和人才提质培养的关键。该文重点阐述以培养高层次“双碳”复合型人才为目标，从树立学生碳达峰碳中和意识出发，对环境材料课程教学进行改革探索，将课堂教学、演示实验、小组讨论及创新培训引入课堂，以生动形象的教学方式激发学生的学习兴趣，全面提升其学习能力、表达能力、团队合作能力及创新实践能力，发挥专业课的思政作用，达到专业课与思政课协同育人的目的，为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑。

关键词：碳达峰碳中和；环境材料；教学模式；教学改革；人才培养

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）19-0159-06

Abstract： Under the major strategic blueprint of carbon peak and neutrality （double carbon strategy）， it is key to perform some educational reforms in the environmental engineering major to culture more professional talents to realize the "dual carbon goals". In the course of Environmental Materials， we developed some reform solutions to improve the "dual carbon"--related ability of the students. By integrating the conventional class teaching with the demonstrative experiments， group discussion and research training， the new teaching mode can effectively help students build the study interests and establish active learning approaches to comprehensively improve their study， communication， teamwork and creative capabilities. Also， we introduced some ideological and political theories in the field of ecological civilization into the course to strengthen the students' patriotic spirits. Eventually， it provides some useful experiences to support for the realization of the "dual carbon" goal.

Keywords： carbon peak and carbon neutrality; Environment Materials; teaching modle; educational reform; talent training

当前，二氧化碳等温室气体排放浓度达到创纪录水平，全球各地极端天气频发，气候变化已经十分明显，成为全人类共同关注的重大发展挑战之一。为了积极应对气候变化这一发展难题，全球已然开始行动起来，中国也不例外。在2020年召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席向全世界郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”他强调，要把“双碳”工作纳入生态文明建设整体布局和经济社会发展全局，坚持降碳、减污、扩绿、增长协同推进，加快制定出台相关规划、实施方案和保障措施，组织实施好“碳达峰十大行动”，加强政策衔接[1]。我国承诺用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和，为了支撑这个目标，加快碳达峰碳中和“1+N”政策体系的构建，形成从中央到地方、从总体到各行各业的政策架构迫在眉睫[2]。“双碳”工作的落实支撑和保障了人与自然和谐共生的可持续发展战略，而科技是保障“双碳”和经济社会发展和谐并进的关键。由碳达峰碳中和引领的科技革命将催生一系列新的科学结论、方法以及技术创新成果，引起经济社会的重大变革。但目前的现状是缺乏高层次“双碳”复合型人才。因此，为深入贯彻落实党中央、国务院关于“双碳”的重大战略部署，教育部制定了《高等学校碳中和科技创新行动计划》。其中明确提到了“碳中和人才培养提质行动”，引导各高校发挥基础研究和科技创新主力军作用，大力培养青年科技人才，为实现“双碳”目标提供可持续的人才保障和支撑[3]。

“双碳”问题的解决是一场系统性变革，涉及到政治、经济、科技、文化和哲学等多方面，需要站在全局的角度进行考虑和规划，综合考虑减排和增汇两种途径。减排即源头控制，使用清洁能源代替化石燃料，从源头减少污染物的产生，这贯穿于经济社会发展全过程和各方面；增汇即末端处理，开发新型高效碳汇、碳转化技术，消减碳排放量，实现碳达峰碳中和[4]。由于“双碳”问题本质上是环境污染问题，因此，培养高层次碳达峰碳中和复合型人才对于环境工程专业来说迫在眉睫。

环境、能源与经济三者之间的共赢，单靠其中任一方面的调节都难以实现[5]。因此，基于全球可持续发展理念的引导，环境材料的概念应运而生。环境材料是一门横跨材料科学、环境科学、生态科学、化学工程及生物等多学科的新兴交叉科目，不仅有助于保护和改善生态环境，而且还可以提高资源和能源的利用效率，实现经济社会的可持续发展，是新材料发展以及实现碳达峰碳中和目标的重要方面之一[6]。因此，为了深入贯彻国家碳达峰碳中和的重要发展战略，培养优质的“双碳”复合型人才，我们为本科生开设了环境材料专业选修课。该课程的特点是涉及知识面广、理论分析复杂、实操性强且与社会经济发展关系密切[7]。为了使学生更好地掌握，将围绕低碳/零碳能源与技术、CO2捕集封存技术以及CO2优化利用技术等进行创新研究，开展碳减排、碳零排、碳负排新技术理论及实践教学，采用课堂教学、演示实验、小组讨论和创新培训等方式实施教学改革探索，使该课程成为学生培养科技创新和实践精神以及碳达峰碳中和意识的有效载体。

一  环境材料课程与“双碳”的关联性

目前，已有部分高校开设环境材料课程。在这些课程中，主要是向学生介绍各种常用材料的环境协调性以及再生循环利用技术[8]，使其掌握环境材料的概念、理论框架以及分类等；熟悉环境材料常用的制备、表征方法；熟悉环境材料的清洁生产以及回收利用工艺；掌握常用的环境净化、修复以及替代材料[9]等基本内容，培养学生合理利用环境材料减少环境污染的能力和保护生态环境的意识[10]。

“双碳”问题的解决除了要求建筑、交通、能源和工业等各领域最大程度地减排以外，同时也离不开CO2捕集/封存技术（CCS）和CO2捕集/利用/封存技术（CCUS）的应用。CCS是捕集分离各排放源产生的CO2，将其富集、压缩后运送到指定地点进行封存的技术。在此基础上发展起来的CCUS是将捕集的CO2提纯，继而在新的生产过程再利用，实现CO2资源化利用，增加经济收益的技术。在CCS技术方面，为了解决工业上基于胺溶液的化学吸收法存在的各种问题，采用多孔材料吸附分离CO2逐渐受到人们关注。目前常用的多孔材料包括多孔炭材料、分子筛、树脂等，但由于其吸附量和选择性较差，金属有机框架材料（MOFs）逐渐引起研究者的关注。近年来，这种新型环境材料因其形态规整、种类丰富以及可调控性强被广泛应用于CO2的吸附分离[5]。例如，2022年3月，Tapiador等[11]首次合成了一种新型MOF材料Zn-URJC-8并应用于CO2的捕集。实验证明，在25 ℃下该催化剂对CO2的吸附量可达2 827 cm3/g，高于其他已知用于吸附CO2的MOFs。CCUS技术方面，目前学界关注的重点在于新型CO2电/光催化还原材料的设计和开发[5]，以实现将捕集和封存的CO2转化为高值化学品的目的。广西大学Liu等[12]通过简单的生长煅烧法制备了硼、氮共掺杂碳上的单原子铁电催化剂（Fe-SA/BNC），该催化剂的CRR活性明显增强。以Fe-SA/BNC为阴极催化剂的Zn-CO2电池的峰值功率密度也高于之前的相关报道；电子科技大学向全军团队[13]开发出新型光催化剂PtCu-crCN，利用模拟太阳光照射3.5 h后，该体系CO产量达到了41.1 μmol/g，CH4产量也能达到9.8 μmol/g。

因此，基于目前已开设的环境材料课程重“减污”轻“降碳”，不符合国家关于加强碳达峰碳中和人才提质培养要求的问题，因此，环境材料课程的开展旨在培养学生合理利用环境材料的能力和“减污降碳”两手抓的意识，推动环境材料领域的进一步发展，削减碳排放总量，实现碳达峰碳中和，促进人类社会可持续发展[9]。

二  环境材料课程中的“双碳”内容

为了响应国家碳达峰碳中和的政策，本课程除了介绍常规的环境友好材料以外，还新增了“降碳”材料的内容。目前，常用的“降碳”材料主要有新能源材料、低碳材料、过滤材料、吸收材料、吸附材料、光催化材料和电催化材料等。

（一）  新能源材料

新能源材料具有清洁环保的特点，使用新能源材料代替常规材料可以实现从源头控制碳排放的目的。常见的新能源材料主要有太阳能、氢能材料等。太阳能因其清洁、安全、储量无限是发展最快的可再生清洁能源。当前，对太阳能材料的应用主要集中在光热、发电以及光化利用方面。其中，利用太阳能光伏材料进行发电是我国目前研究的重点之一。其原理是利用光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。常用的太阳能光伏材料有晶硅材料、薄膜材料、聚合物薄膜电池、染料敏化材料和低维纳米材料等[14]。氢能作为清洁能源，因其灵活高效和应用广泛被视为减少二氧化碳排放的重要手段，是未来最具发展潜力的二次能源[15]。我国的氢能技术正在逐步发展，主要通过化石能源热解/重整、工业副产气提纯及电解水制氢，已成为世界上最大的制氢国。目前，氢能主要被应用于炼油、冶金、化工、发电、供热和交通运输等领域。例如，高能量转化率且零排放的氢燃料电池引导着未来电动汽车电源向更高效、更清洁的方向发展，有利于实现消减碳排放量的目标。

（二）  低碳材料

低碳材料是指在不改变材料使用功能的前提下，降低不可再生资源的用量，且在制造过程中降低能耗与污染；使用过程中不产生有害物质；废弃后可回收利用的新型材料。低碳材料具有绿色环保、可再生性、可降解性和可回收性等特点，被广泛应用于各个领域[16]。其开发与设计策略主要包括：从原子和分子角度进行低碳材料设计、高效的材料加工技术、采购本地可再生材料、使用可循环材料、设计寿命长且不产生污染物的材料和提高能源效率等[17]。例如，2018年，Major等[18]使用硝酸铁和硝酸钴对芒草生物炭进行化学处理使其直接转化为石墨而不形成无定形碳中间体。结果表明，生物质的热化学转化可以在原子尺度上操控，从而在不生成中间体的情况下创造高价值的材料，对生物地球化学循环友好。Christensen等[19]开发出一种新型分子工程塑料，无需化学添加剂即可拆卸重组。该塑料由各种三酮类化合物以及芳香胺或脂肪族胺聚合而成，副产物仅为水，在保证性能和质量的情况下可以重复回收使用。这种创新性研究为设计环境友好材料提供了新方向。

（三）  过滤材料

过滤是利用压差，使悬浮液中的液体（或气体）通过可渗性介质（过滤介质），固体颗粒被截留，实现固液（或气固）分离的工艺。过滤工艺在应用于捕集CO2时主要采用的是膜分离法。膜分离法是利用某些特定材料制成的薄膜（如碳膜、二氧化硅膜、沸石膜、醋酸纤维膜和聚酰亚胺膜等）对不同气体渗透率的差异来选择性分离气体的方法。膜分离法应用的前提是存在压差，即当膜两边存在压差时，会优先通过渗透率较高的气体组分，形成渗透气流，而渗透率较低的气体组分大部分在膜进气侧聚集，而后将其分别引出，达到分离的目的。

（四）  吸收材料