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项目属钢铁冶金领域，涉及钢铁高质高效制备新技术。 高端化、绿色化、智能化和高效化是中国重要基础原材料钢铁的发展方向。工信部等发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》指出，要“加强高端关键钢材品种冶金技术研发”。非金属夹杂物特别是大尺寸夹杂物，严重劣化钢材塑性、韧性、抗疲劳和抗腐蚀等关键性能，大尺寸夹杂物是高品质钢种如汽车板钢、轴承钢等控制的重点。连铸是影响钢铁生产质量效率的重要工序，其关键支撑功能部件浸入式水口(以下简称水口)的结瘤不仅影响连铸效率，更导致钢中大尺寸夹杂物增多进而劣化铸坯质量，是长期困扰高品质钢生产的共性关键技术难题，为国际上业界研究热点。 多年来项目团队在国家自然科学基金重点项目等的持续支持下，针对水口结瘤并导致大型夹杂物产生，严重影响连铸效率和钢的质量与性能的国际难题，独辟蹊径，聚焦钢液中主要夹杂物氧化铝向水口壁面迁移的驱动力，基于物理学、电化学、缺陷化学、材料学、冶金学等多学科交叉融合开展系统研究，取得如下原创性突破： 1.首次发现高温钢液中Al₂O₃夹杂物表面本征荷正电、连铸时服役水口荷负电的科学现象，揭示出静电力亦是钢液中Al₂O₃夹杂物向水口壁面迁移并致结瘤的重要驱动力，发展和完善了水口结瘤机理，并打破钢液中Al₂O₃夹杂物为电中性的传统理念或假设； 2.提出电场力抑制Al₂O₃夹杂物迁移新理念，创新构建电极化水口/塞棒，研制出高温下大电流电场稳定布施绿色冶金设备，发明正极电场抑制水口、塞棒结瘤新技术。应用表明：有效抑制了塞棒涨棒，相同条件下与国外水口相比，结瘤层厚度降低≥30%，结晶器液面稳定性显著改善，稳定连浇炉次提高20-100%； 3.阐明了电场力促进Al₂O₃夹杂物上浮至中间包覆盖剂内或吸附于负极材料的新机制，构建中间包区域电场，发明电场力去除夹杂物新技术。 应用表明： 中间包区域电场显著提高钢液洁净度，优化了夹杂物形貌，铸坯中＞5μm夹杂物数量下降≥25.3%，冷轧工序夹杂废次降级率降低≥45.3%。 项目基于科学发现，发明系列新技术，发表论文31篇，获国家授权发明专利10项。成果规模化用于宝钢、首钢、南钢等汽车板钢、轴承钢等生产，近3年增收8080万元，经济社会效益显著。中国金属学会评价该项目成果原创性高、绿色高效，有效地解决了制约钢铁高质高效生产中的水口结瘤、大尺寸夹杂物去除等关键共性技术难题，项目成果总体达到国际领先水平。

该项目针对石墨烯材料及其导电/导热应用需求，开展低耗规划化的氧化还原石墨烯制备工艺和应用研究，突破高品质石墨烯可控制备、低耗规划化石墨烯规划化制备、导电/导热精确控制和应用等关键技术，解决了板框高压洗涤过程中氧化石墨含氧官能团水解导致水以及金属杂质难以分离和去除、石墨烯易团聚、与碳纳米管界面作用差的瓶颈，大幅降低了生产过程能耗水耗，且每反应釜从原来的44小时降低到7小时，实现高品质氧化石墨烯、高品质石墨烯、高比能量锂电浆料和高效石墨烯散热膜等产品研制，在锂离子动力电池、手机电子产品、机翼散热等领域应用。 1)技术创新程度：开发了热酸抑制氧化石墨水解技术、大容量艾奇逊炉法高温石墨化石墨烯结构修复工艺、石墨烯散热膜低温预还原工艺技术，填补了行业技术空白，为石墨烯在新能源锂离子电池导电剂及手机电子电器导热散热领域应用开拓新思路，经鉴定评价技术创新程度高。 2)技术经济指标的先进程度：实现了氧化石墨烯含氧量49At.%、氧化石墨烯杂质总含量97ppm、石墨烯结晶程度(ID/IG)0.02、石墨烯导电剂浆料电导率比同类产品提高33%以上、石墨烯散热膜导热率1642W/(m·K)、耐弯折次数21.3万次，与国内氧化石墨烯制造同类企业相比节能50%以上、节水70%以上，生产效率提升80%以上，石墨烯导热膜热导率提升10%以上，经鉴定评价经济技术指标先进。 3)技术难度和复杂程度：各环节涉及材料、化工、物理多领域交叉知识，从微观结构调控到宏观性能实现，需多环节协同，研发壁垒高。技术难度大、复杂程度高。 4)技术重现性和成熟度：项目技术具备良好重现性与成熟度。技术重现性好、成熟度高，已经规模化生产，产生了良好的经济效益。 5)技术创新对推动行业科技进步和提高市场竞争能力的作用：推动了石墨烯制备技术进步、规模化制备产业升级；支持绿色工业转型得以加速。产品具有市场竞争优势。 6)经济、社会效益：实现经济效益9.2亿元，节能节水效应突出，建成了年产2000吨手机散热膜用石墨烯氧化物浆料生产线，解决120人当地就业，带动了当地传统石墨工业转型升级和散热、发热、防腐等产业发展，经济和社会效益显著。 经中国有色金属学会组织鉴定，项目整体技术达到国内领先水平，氧化石墨烯含氧量、结晶程度(ID/IG)等部分指标达到了国际先进水平。

能源短缺和环境污染问题是21世纪以来人类社会发展所面临的两大难题。因此寻找洁净可再生能源及开发高效的能量储存和转换技术是当务之急。电催化反应是多种能量转换器件的核心，然而这些能量转换器件的核心是电化学过程：其中氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER)是电解水的阴阳极反应；氧还原反应(ORR)和OER是金属-空气电池阴极发生的一对可逆反应。因此合理设计高效的电催化剂成为可持续能源技术探索的重中之重。通过非金属杂原子修饰、形貌微结构优化、微观电子结构重构、表面缺陷引入和化学修饰四个方面入手，构建电催化全水解和金属-空气电池整体催化系统，实现大规模化学能与电能的转换技术，是发展高性能过渡金属氢氧电催化材料、推动其实用化必须解决的关键科学问题和研究重点。在国家自然科学基金项目及云南省应用基础研究项目等的资助下，该项目从过渡金属可控构筑、电子结构改性和形貌优化、电子结构和活性相关性、电子/离子传输通道等四个方面有效解决过渡金属材料活性低、选择性和转换效率差等阻碍电解水制氢，金属空气电池技术实际应用的瓶颈问题，形成了具有自主创新优势的研究成果，主要发现点如下： 1.发现非金属杂原子修饰过渡金属，使过渡金属d-带电子密度增加并且d-带收缩，精确重构电子结构和优化（HER/OER/ORR）反应中间体的吉布斯自由能，实现电解水制氢、锌空电池双功能催化，阐明了非金属杂原子的引入，使得过渡金属有比主金属高的耐腐蚀性，能够很好的适用于酸性或者碱性介质中电催化氢氧反应。为高性能非贵金属基电解水制氢、金属空气电池材料及工业化器件的研发提供了一种解决方案。 2.发现微观形貌结构重构能显著调控过渡金属材料的电催化氢氧反应活性，精确调控微观形貌结构，而且能有效调控界面电场和电催化反应中的有效的传质通道，进而高效提升材料的双功能催化活性、降低过电势、增强长期稳定性和提高能量转化效率，并阐明了微观形貌调控和电子重构调节材料的电催化过程中的中间体吸附作用机制。 3.发现重构过渡金属的微观电子结构，能够有效促进电荷转移，过渡金属化合物在电化学反应过程中容易发生表面氧化还原反应及配位环境的变化，动态生成更多的金属离子吸附和存储活性位点，调控复合材料的三维结构和高比表面积，为表面重构提供了丰富的反应位点和空间支持。揭示了重构微观电子结构对催化活性、长期稳定性性能提升的原因。 4.发现过渡金属复合材料中表面缺陷引入和表面化学修饰显著影响其整体性能：能够优化反应物吸附能，促进反应物与催化剂表面的有效接触，从而加速反应速率，构建并合成一系列过渡金属材料，优化电子结构，提升其在电催化析氢、析氧以及氧还原反应中的性能，有效降低副反应，克服反应选择性差的问题，开发电解水制氢、锌空气电池器件。 通过科技查新，上述科学发现点除项目组所发表的成果外，未见其他研究报道。项目组在国内外学术刊物上发表论文115篇，其中SCI论文101篇，EI论文10篇，8篇代表性论文影响因子合计100.7、SCI总他引用194次，20篇核心论文影响因子合计164.2、SCI总他引用478次；项目组成员3人入选云南省“兴滇英才支持计划”专项、4人晋升高级职称，培养博士3名、硕士19名。此外，云南省具有得天独厚的光电资源优势，具备广阔的应用前景。

金属镁在航空航天、交通运输、生物医用、战略金属还原等领域具有重要应用价值。原镁是镁产业链的源头，但现有工艺制备的原镁普遍存在杂质种类多、含量高且波动大的痼疾，这些杂质会从原镁遗传传递至合金再到产品，导致现有镁产品常表现出力学性能差、易腐蚀、性能指标波动范围大等问题，严重制约其规模化应用。因此，原镁的高纯净化已成为行业的迫切需求，但现有纯净化工艺或效果有限，或成本高昂，难以实现高纯净原镁的低成本规模化制备和应用。针对这一重大需求和难题，该项目在国家自然科学基金重点项目、联合基金重点项目、重大横向课题等科研项目的持续支持下，历经10余年，提出了基于气态原子选择性分离的金属镁纯净化新原理，发明了在气态条件下高效率去除镁中杂质的梯度冷凝和吸附过滤技术以及净密结晶技术，并开发了相应的纯净化装置系统，突破了高纯净原镁的低成本规模化制备的难题，为中国镁产业整体提质升级奠定了原材料基础。主要发明内容如下： (1)提出了基于气态原子选择性分离的金属镁纯化新原理，发明了梯度冷凝除杂技术，颠覆了硅热法不能直接生产高纯镁的传统认知，实现了3N5A级高纯净原镁的低成本规模化生产。 当前工业纯镁生产中主要采用在液态镁熔体中添加精炼剂的方法去除杂质，但其纯化效果有限，一般只能制备Mg9990级(即3N级)纯镁，难以制备出高性能镁合金所需的3N5B级及以上纯度的镁。根据气体原子间作用力远小于固/液态的物理本质，提出了基于气态原子选择性分离的金属镁纯化新原理-即在镁蒸气中直接捕获杂质。基于这一原理，发明了梯度冷凝除杂技术及其装置系统，筛选出了既能促进杂质冷凝，又不引入新杂质的冷凝材质。应用该技术，使镁中的Fe、Si、Al、Mn等主要杂质含量降低了1～2个数量级，最低降至～10ppm量级，满足国标3N5A级要求，进而建成了全国首条年产千吨3N5A级高纯净原镁生产示范线，在不显著增加成本、不降低产量、不增加操作难度的基础上，使产品的国标3N5A达标率由技改前的不足1%提升至90%以上。经进一步推广，现已实现了万吨级年产量。 (2)在梯度冷凝技术的基础上，发明了吸附过滤强化除杂技术，两者联用实现了5N5级超高纯镁的稳定制备，最高已达5N7(检测了73种元素)。 在梯度冷凝技术制备3N5A级高纯净原镁的基础上，面向高纯钛/锆还原、生物医用、半导体等领域对4N、5N乃至更高纯度镁的重大需求，发明了吸附过滤强化除杂技术，其与梯度冷凝技术联用，实现了5N5级超高纯镁的稳定制备。此前，4N及以上纯度的镁主要依赖真空蒸馏法，但该方法为了避免杂质的蒸出而一般只在650℃-700℃左右慢速蒸发，因此提纯速度慢、镁收得率低，且5N级镁常需多次蒸馏才能实现，导致能耗和成本大幅升高。该项目在梯度冷凝装置上，集成复合式吸附过滤结构，并在900℃左右气化原料以大幅提升蒸发速率，使镁蒸气中的杂质在单次纯净化处理中即可被高效去除，大部分杂质降低至0.1～1ppm，部分杂质如Fe、Ni、Cu、Al、Ca等降低至辉光放电质谱法(常用的高精度全元素检测方法)的检出限以下。同时，基于纯镁与杂质之间的电偶腐蚀原理，发明了一种快速、低成本的镁纯度对比检测方法，以满足高纯净镁生产的品控需求。该项目技术打破了传统真空蒸馏法纯化效果与生产效率/成本互斥的难题，在高纯镁直接收得率达90%的基础上，通过单次提纯即可制备出5N5级超高纯镁，最高已达5N7级(检测了73种元素)。 (3)发明了高纯镁的净密结晶技术及生产系统，解决了传统结晶方法外壁污染、结晶疏松、易二次氧化等问题，进一步开发并应用了高纯镁表面防护技术，获得了洁净致密且抗氧化的高纯镁。 传统镁结晶器壁面会与镁结晶粘连，导致脱模困难和壁面二次污染；所制得的结晶镁结构疏松，易氧化、氮化。针对这一难题，基于镁蒸气凝华过程中气固界面的传质传热规律，设计了热壁冷盘控温结晶系统，使镁蒸气在结晶系统内定向传输，避免被壁面粘连和污染，最终在冷盘上可控致密沉积，形成高纯净且致密结晶镁。进一步发明了镁熔体过滤和逐层铺设方法，实现了由结晶镁到净密铸锭的可控制备。利用高纯净镁不易发生局部点蚀的特点，将其表面均匀腐蚀层在等离子体中原位转变为致密防护膜，进一步提升所制备高纯镁抗氧化能力。基于上述技术，所制备净密结晶镁在450℃大气下暴露7小时，氧(氮)化增重仅为传统结晶的4.5%；所制备净密铸锭经CT检测，氧化夹杂体积分数和孔隙率大幅下降。 该项目授权国家发明专利23件，10件代表性专利全部实现应用，其中转让7件(700万元)，发表学术论文35篇。基于该项目成果，建成了全国首条年产千吨3N5A级高纯净原镁示范线，现已实现万吨级年产量，产品获评2023年度陕西省“新材料首批次应用产品”。相关技术落地两家镁龙头企业，新增总产值超23亿元。所制备的4N级高纯净镁应用于国标(北京)检验认证有限公司(国家有色标准样品的定点研制单位)，支撑其开发了国内首款痕量杂质定量检测的纯镁标准样品(编号：GSB 04-4105-2023)。所制备的5N级超高纯净镁用于赛诺医疗(上市公司)和德国Meotec GmbH公司等的生物医用材料与器件研制。基于高纯净原镁，研制出了力学和耐蚀性能指标优良、稳定性好的高品质镁合金，并将其应用在全球首辆镁合金氢能驱动重载卡车上，单车镁合金用量超800公斤，成果进展两次被央视报道，安全营运里程超过4万公里。 依托该项目培养国家级青年人才3名，博士研究生5名、硕士研究生34名。上述成果获国际镁协会变形镁合金产品奖(2025)，中国材料研究学会技术发明一等奖(2023)，全国标准样品技术委员会有色金属分会标准样品三等奖(2022)，国际镁学会创新工艺奖(2022)；第一完成人获国际镁学会年度人物奖(2021)，第三完成人入选全国有色金属优秀青年科技计划(2023)，第六完成人入选中国青年女科学家奖未来女科学家计划(2024)。 经济效益： 该项目技术近年新增产值超23亿元。其中，府谷京府煤化有限责任公司累计生产Mg9995B级原镁总产量约8.2万吨，新增总产值约19.44亿元；府谷泰达煤化有限责任公司累计生产销售Mg9995A级原镁约2.34万吨，新增产值4.49亿元。 社会效益： 1)面向人民生命健康，满足新型可降解生物医用材料材料的研制需求。该项目技术应用多家生物医用材料与器件公司的可降解口腔屏障膜、骨科、心血管植入器械等创新产品的研发，降低植入器件的生理毒性，提高器械服役稳定性能，避免患者承受二次手术取出的痛苦。 2)助力高品质镁合金在轻量化重型挂车领域的应用，节能减碳。该项目技术成果应用于与智子汽车科技有限公司的全球首款氢动力镁合金重型半挂车合作研发。开创了镁合金汽车的集成式设计理念，涵盖整车镁合金框架的结构设计、高质量镁合金材料的开发、镁合金部件的制造以及全尺寸运营的验证。每辆挂车的镁使用量超过800公斤，与原有钢结构相比总重量减轻超过1吨。预期实现二氧化碳减排7～10吨/辆/年，通过多拉货增收5～7万元/辆/年。 3)服务国家新一代纯镁标准体系的完善与升级。该项目技术成果应用于国标(北京)检验认证有限公司的国内首款痕量杂质定量检测的纯镁标准样品研发。推动原镁领域的标准化进程，提升对高纯净镁产品的检测准确性，带动纯镁标准体系的完善与升级。

在国家自然科学基金委员会及陕西省科技项目资助下，该项目开展了多功能生物逻辑-传感器的设计及应用转化研究。项目组以链置换技术结合金属离子、荧光标记、特殊发光等手段，从简单模型入手，逐步实现传感模型与逻辑模型、理论性模型与应用性模型的演变及相互转化。多功能生物传感器的设计一方面为生物计算底层逻辑组件开发及生物算法创新提供了部分新研究思路，另一方面也对用于定向靶标检测生物传感组件的设计及应用提出较完善的研究路线。除此之外，设计的多功能生物传感模型通过干实验与湿实验结合的方式验证，不但具有双重实验手段保障，也是计算机科学与生物科学学科交叉融合的大胆尝试。在理论创新的同时以实验实践为手段，证明所设计模型的现实可行性及在实际样品中的应用能力。 项目主要科学发现点如下： (1)分步开发了多种生物传感模型及生物逻辑组件。①基于催化发夹自组装及G-四链体特殊结构，设计了具有荧光-分光双输出模式的凝血酶检测装置；②在前述装置中引入氧化石墨烯以降低背景噪音，更为简便地实现了凝血酶的灵敏检测；③结合G-四链体与氧化石墨烯光学特性，构建了多重逻辑组件，并在局部编码的行进轨迹上设计了一系列DNA链置换计算，逐步实现自主移动和寻址功能。 (2)逐步实现了逻辑组件与传感模型间的交联转化。①基于金属离子与DNA碱基具有的特殊桥联反应结合荧光标记技术构建了多功能分子探针，在初步完成汞、银离子检测的同时实现简单OR逻辑的构建；②进一步引入氧化石墨烯构建了多输入复合纳米逻辑门，并证实此模型具有一定计算潜力；③结合上述两项研究内容，引入嵌入式染料SYBR Green Ⅰ代替荧光基团降低检测成本，且在实现汞、银离子识别的同时进一步完成四环素的检测。 该项目先后得到三项国家自然科学基金面上项目(61572302、61272246、62073207)及一项陕西省自然科学基础研究计划项目(2020JM-298)约200万元经费支持。项目组经过几年探索，在多功能生物传感逻辑门设计及应用方面均具有一定研究基础。逻辑组件的研究内容除了模型的构建外，也被发现可以通过计算机仿真手段和生物实验协同配合应用于靶向传感和逻辑运算，而且结合核酸适体特性和新型纳米材料，还可为多靶向诊断和组装级联电路等提供新思路和方法，具有重要理论研究意义和应用价值。生物传感组件与生物逻辑运算组件间的互通结合，使逻辑组件不单单作为计算手段，更能作为靶向检测的工具。相关成果发表SCI论文20余篇、核心论文2篇，所列代表作被BIOSENSORS&BIOELECTRONICS、MATERIALS HORIZONS、CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL、TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY、ANALYTICAL CHEMISTRY等期刊论文他引48次。

在日益严峻的水资源保护与环境治理需求的双重驱动下，项目团队积极响应环境保护与科技创新并重的国家战略号召，以科技创新为核心引领，以产、学、研、用深度融合为实施路径，聚焦当前水处理技术普遍面临的废水处理效率低下、工艺流程繁琐以及资源化循环利用程度不足等关键问题和技术瓶颈，展开了深入探索与技术攻坚，在理论创新与实际应用中取得突破性进展，开辟出一条低碳、高效、可持续的污水处理与循环利用新路径。项目团队汇聚集体智慧，聚焦磁助光电耦合污水处理设备的设计理论及系统策略、污水高效处理技术和材料研发、地表径流有效处理以及生态排水储水系统的工程设计与研发等核心科学技术问题，开展全面系统的探索，主要创新成果概述如下： 1、基于光催化和磁助光电耦合原理，研发了磁助光电耦合有机废水处理设备。 研究并设计了一种基于三相内循环流化床光催化反应器，创新性地利用多反射光催化技术实现了光能的高效利用，可有效提升污水降解速率。以上述装置为基础，分设两个机构对有机废水进行适度稀释和降解催化分离，配备两个控制模块确保装置稳定运行并进一步优化降解效果，从而实现废水的高效降解和催化剂的有效分离回收，解决了催化剂高效回收利用难的问题。对该装置进一步优化，通过外加磁场强化光电子在催化剂表面的传输与反应效应，结合磁助光电耦合原理提升光能利用率与催化降解效率，系统内部精准划分为升流区、降流区和缓流区，实现了反应过程中固、液、气三相的高效分离及催化剂的循环利用，装置光催化降解效率较传统设备提升33%，整体碳排放减少17%。智能分区设计在提高光催化降解效率的同时，确保了系统稳定运行与长期维护的便捷性。 2、研究并开发了一系列的染料、抗生素等有机废水的高效处理技术。基于TMT15与硫酸铝和聚丙烯酰胺等絮凝剂的协同效应，以及他们对维多利亚蓝B和孔雀石绿等有机污染物的螯合共沉淀作用，研发出高去除率的污水低碳处理技术，为印染废水处理提供重要的技术保障。针对石油钻井废弃泥浆中羧甲基纤维素钠的高保水性难处置现状，深度融合Fenton、TiO₂和UV，开发了一种便捷高效且成本低廉的协同降解技术，实现了最优条件半小时内羧甲基纤维素钠的完全降解，展现了多技术耦合在有机污染物治理领域的巨大潜力。针对石墨烯材料易团聚、氧化石墨烯难分离等问题，利用硫脲化学还原氧化石墨烯，并结合超声剥离作用制备出氮硫共掺杂的新型石墨烯材料，可高效吸附水中的抗生素。对抗生素磺胺甲恶唑的去除率是原始氧化石墨烯的16.36倍，显著高于传统石墨烯材料，吸附速率更快，50小时即可达到平衡。其优良的吸附选择性、高效性和循环稳定性，在抗生素废水处理中具有广阔的应用前景。 3、构建了一种含油污、危化品等的路面径流处理系统，创新性地开发了兼具排水集水的多功能生态排水沟。针对高速公路环境敏感路段因发生危化品泄漏(尤其是难降解有机污染物)等突发事故径流处置问题，研发了一种桥上排水与桥下水处理相结合的高架桥排水系统，其核心技术是沿路收集分段排至雨水处理系统。可对桥面路面积水、油污、泄漏危险化学品产生的径流进行有效处理，能将径流中的SS、COD、Pb等污染物去除率分别提升至95.32%、70.77%和38.57%。该系统不仅减轻了初期雨水径流对公路沿线水质的污染风险，还将径流水有效转化为灌溉和绿化用水，实现了桥面路面排水的高效低碳处理和资源化利用。研发的多功能生态排水沟，满足生态保护与工程防护的双重需求，创新性集成了即时排水和智能储水功能，促进了水资源的循环与高效利用，解决了传统设施面临的排水不畅与资源浪费问题。 此外，还研发了一种具备过滤净化功能的冷却水循环机，创新性集成了过滤净化设施和排水孔散热系统，在保证流量的前提下，可有效延长设备使用寿命，解决了机械设备长期运行和设备维护的难题。 项目团队多年来聚焦于污水资源化处置、高活性吸附材料研发和水处理系统开发等核心领域的技术研发工作，构建了坚实的理论框架并积累了丰富的实践经验。 围绕该项申报成果，项目团队承担包括重点研发计划、国家自然科学基金、科技支撑计划、省级重点研发计划在内的科研项目20多项；团队成员获国家杰青(2025)、国家优青(2018)、西安市杰青(2024)、全国社会实践优秀个人(2021)、陕西省科技特派员(2022)称号，获山东省科学技术奖、陕西省高等学校科学技术研究优秀成果奖、中国公路学会科学技术奖、甘肃省科技进步奖、陕西省环境保护科技奖等多项奖励/荣誉21项，在科研领域获得广泛认可。项目团队多年积累的丰硕研究成果在环境领域发表SCI论文100余篇，包括ES&T和WR等高影响力期刊论文27篇；编制和发布行业/团体标准5项；授权专利37项和软件著作权2项。在含污废水处理技术/装置的技术开发方面，项目团队开展了一系列创新性研究工作，团队承担的与该成果相关的国家科技支撑计划课题，经专家组鉴定：研究成果总体达到国际先进水平。上述专利和设备的成功获批与研发，充分展示了项目团队在污染物降解和水处理系统研发方面的技术实力和创新引领能力。 在工程技术研发和科技成果转化领域，项目团队积极与企业构建产学研用一体化合作关系，积极承担社会责任，以社会实际需求为成果导向，将研究成果转化为兼具可操作性和实效性的解决方案/技术/产品，为守护秦巴腹地碧水蓝天贡献科技力量。项目团队研发的沿路收集分段排至雨水处理系统在贵州省仁赤高速公路得到应用，有效解决了贵州省仁怀市茅州区30万人的饮用水安全问题和土壤生态安全，为当地民生福祉做出积极贡献。项目团队依托国家科技支撑计划，明确了青藏高原高海拔高寒地区路面径流污染特征，识别出青藏工程水环境保护路段，针对高寒高海拔地区设计的多功能生态排水沟技术，有效促进了区域水资源的良性循环与生态修复，已成功应用于共玉、青藏公路示范段，该成果/技术经专家鉴定达到国际先进水平，展现了项目团队卓越的创新实力和应用价值。项目团队针对长庆油田第二采油厂434个油泥掩埋点污染问题，研发了羧甲基纤维素钠检测与去高效除技术，显著提升了石油钻井废弃泥浆的处理效率。上述关键技术和实践成果不仅展示了项目团队在废水处理、有机污染物降解和资源循环利用体系构建方面的技术攻关实力，也为推动水资源保护和可持续发展提供了坚实的理论和技术支撑。

中国煤电、钢铁、化工等行业攸关国计民生和国家安全，是国民经济支柱产业和能源兜底保障，但其运行过程每年产生大量的工业酸性废气(如CO₂>60亿吨、SO₂>0.5亿吨)和工业固废(>40亿吨)。随着中国高硫高灰煤(硫>3%，灰分>34%)和低品位金属矿产资源的市场占有量持续增长，导致工业酸性废气与固废的治理强度大幅度上升，而现有单一的脱硫、脱碳与固废治理技术面临工艺流程复杂、能耗成本高、资源化利用难等问题，因此，开发高效、低耗的工业酸性废气深度减排与固废资源化技术是亟待解决的关键和难点。 该项目基于中国钢铁、煤电和化工等重点行业的酸性烟气与固废排放特点，提出了工业酸性废气及固废协同资源化的降碳减污新技术路线，重点突破了协同资源化利用过程的原料分离与产品调控新原理、酸气吸收-反应耦合强化新技术以及绿色低碳成套工艺技术与装备。主要创新点包括： 1.提出了固废化学链分离与硫碳协同胶凝新原理与新方法。针对酸气与固废协同资源化过程中产品难以高值化和规模化的问题，阐明了化学链循环吸收酸气和固废提钙的原理，不仅实现了酸气的利用，而且高选择性分离钙离子生产高值精细碳酸钙产品；揭示了硫碳协同激发固废胶凝活性的原理，利用硫氧化物吸附过程原位生成的硫酸盐微晶强化了高密度硅铝酸盐和硫铝酸盐复合网状结构，形成了固废级配组合协同硫碳胶凝固化利用新方法。 2.研发了低分压酸气吸收-反应耦合强化新技术。针对工业低分压酸气脱除过程气液反应与传质效率低的难题，创新研发了酸气硫碳一体化脱除喷淋反应、程序化酸气阶段养护反应、酸气捕捉-转化耦合的气-液-固三相鼓泡反应新技术，研制了吸收-反应耦合强化反应器。实现了酸气中CO₂转化率＞90%，出口SO₂＜35mg/m³；固废胶凝材料养护压力降低50%至1.0MPa，产品力学性能达到C40强度等级；产品pH值降低至7.5的反应时间缩短一半。 3.开发了酸气与固废协同利用一体化成套工艺与装备。针对煤电、钢铁及化工行业二次资源协同处置与循环利用匹配难的问题，创新研发了煤电酸气与煤基固废一体化利用、电石渣化学链耦合碳化选择性生产精细碳酸钙、脱硫渣梯度脱除SO₂和CO₂等降碳减污成套工艺技术与装备。实现煤电行业固废和酸气协同胶凝生产绿色建材；电石渣中钙组分利用率>90%，碳酸钙产品性能达到国标一等品要求。 该项目成果取得授权发明专利25件，实用新型专利16件，国家标准2项，专著2部，学术论文61篇。成果已在攀钢集团、中煤科工集团等国内20余家煤电、钢铁和煤化工企业推广应用，并成功与国际矿业巨头力拓集团合作，进入澳洲和欧洲等海外市场。2021年-2023年累计新增产值45.2亿元，利税1.37亿元，实现降低CO₂排放100余万吨、减少SO₂排放40万吨、处理固废1100余万吨，尾气硫排放浓度＜35mg/m³，形成了可盈利的工业酸性废气及固废协同资源化降碳减污成套关键技术，经济效益良好，社会和生态效益显著。

发明点一：发明了由纳米线三维网络构筑而成的弹性硅基陶瓷气凝胶，揭示了弹性陶瓷气凝胶的气-固反应生长机制，建立了弹性陶瓷气凝胶的类化学气相沉积制备新技术，阐明了气凝胶通过纳米线弹性屈曲和协同运动实现大应变回弹新机制。传统陶瓷气凝胶通常通过超临界干燥工艺获得，微观上由非晶陶瓷纳米颗粒相互搭接而成。由于纳米陶瓷颗粒之间结合较弱，导致气凝胶强度低、脆性大；同时，当温度较高时，纳米颗粒之间还会发生烧结，造成体积严重收缩。项目创造性地提出了以硅氧烷干凝胶为原料，通过裂解产生SiO和CO气体，利用气体间化学反应，在石墨基底沉积生成SiC晶核并不断生长成超长单晶碳化硅纳米线，在气流作用下，纳米线相互搭接并组装成为高气孔率的三维网络结构，最终获得弹性耐高温SiC气凝胶。通过调整前驱体成分及工艺参数，将该工艺拓展至Si₃N₄纳米线气凝胶的制备。该方法突破了传统陶瓷气凝胶的制备工艺，形成了一种全新的、具有完全自主知识产权的新型工艺路线，打破了国外对传统陶瓷气凝胶制备工艺的垄断，具有重要的意义。所获得的硅基陶瓷气凝胶可以在80%压缩应变和20%拉伸应变下完全弹性回复，显示出优异的弹性，突破了陶瓷气凝胶脆性问题，更新了人们对陶瓷气凝胶固有脆性这一常规印象的认知。采用原位扫描电镜表征技术，发现了气凝胶在压缩过程中，1)纳米线的柔弹性赋予了其大的弹性屈曲变形；2)纳米线在外力作用下，产生位移；3)气孔为纳米线的变形和运动提供了空间，使其产生大宏观变形；4)卸载过程中，纳米线间丰富的搭接结点确保了纳米线在三维网络空间中的相对位置，使纳米线相互约束、协同运动，从而实现了弹性回复。 发明点二：发现通过三维网络结构设计，约束纳米线的变形与运动，实现对纳米线气凝胶力学性能的调控，发明了基于柔性结点强化、二维有序序构和三维周期性序构约束的气凝胶强化新技术，为弹性陶瓷气凝胶的力学性能设计及调控提供了重要的理论和实验依据。如上所述，纳米线构筑的弹性陶瓷气凝胶克服了传统陶瓷气凝胶的脆性，获得了压缩回弹性，在隔热材料领域展现了巨大的应用潜力，但其模量和强度较低，承载能力有限。因此，提升现有弹性陶瓷气凝胶的承载能力，是满足其实际应用的关键。仔细分析，在微观结构上，纳米线气凝胶是由大量超长纳米线构筑而成，纳米线间依靠结点实现相互搭接，形成了纳米线、纳米线间搭接结点、以及气孔三种组织。在变形过程中，纳米线的变形和运动为气凝胶提供形变，气孔为纳米线的变形和运动提供空间，搭接结点通过约束纳米线变形和运动，为气凝胶提供强度/模量并保证其协同变形和回弹。因此，要想优化弹性陶瓷气凝胶的力学性能，其关键是协调好“纳米线变形和运动”与“约束”间的关系。基于纳米线气凝胶的变形机理，首次提出采用可控化学气相浸渗技术，在纳米线间引入刚性搭接结点，获得了兼具低密度和高强度的陶瓷纳米线气凝胶，强度由20kPa提高到1MPa以上；发明了陶瓷纳米线气凝胶的部分热压技术，获得了具有二维层状序构的气凝胶，通过纳米线层的二维约束，大幅度提升了气凝胶强度至10MPa级，是当前气凝胶强度的50倍；建立了基于墨水直写3D打印多孔碳纤维模板，结合前驱体浸渍裂解、化学气相反应和高温氧化除碳，制备复杂形状和周期性点阵结构弹性SiC纳米线气凝胶的新方法，揭示了周期性点阵结构SiC纳米线气凝胶桁架单元的“受约束程度”和“变形模式”对其力学性能的影响规律，获得兼具高比强度(15.94kPa/(mg·cm^-3))和高回弹率(70～90%)的八面体点阵结构SiC@C纳米线气凝胶。 发明点三：明晰了弹性硅基陶瓷气凝胶独特的纳米线三维网络结构与组分对其隔热、透波、吸波性能的协同强化机制，发明了系列高效隔热、隔热-透波、隔热-吸波一体化多功能陶瓷气凝胶，为未来结构-功能一体化热防护材料研发提供了关键技术支撑。传统陶瓷气凝胶由于其超高的气孔率和超低的导热系数，主要应用于隔热领域。该项目发明的弹性硅基陶瓷气凝胶，是一种由超细超长的硅基陶瓷(SiC、Si₃N₄)纳米线构筑而成的高气孔率、大比表面积三维网络结构。同时，SiC是一种半导体材料，Si₃N₄具有透波功能，如何发挥硅基陶瓷纳米线气凝胶独特的组分和结构优势，拓展其多功能性，是实现其价值潜力的基础。为此，该项目基于弹性陶瓷气凝胶独特的纳米线三维网络结构，通过成分、结构设计，优化了其隔热性能，拓展了其在吸波等领域的功能应用： (1)借助陶瓷纳米线气凝胶的取向冷冻干燥技术，在陶瓷气凝胶中，构筑了由纳米线组装而成的定向管状孔结构，通过各向异性多级结构设计，在气凝胶内部形成了：宏观高气孔率；微观各向异性导热和长热流传输路径；纳观非晶和高密度层错热阻界面。上述多尺度热流屏障，实现了气凝胶隔热性能的大幅度提升，热导率仅为0.014W/(m·K)，约为空气热导率的一半，获得了高效隔热陶瓷气凝胶； (2)建立了高纯度氮化硅纳米线气凝胶制备技术，利用高纯度硅蒸汽和高纯氮气之间的化学反应，实现了氮化硅纳米线气凝胶的纯化，借助气凝胶的高气孔率三维网络结构，实现了接近空气的透波性能，其介电常数仅为1.00～1.04，介电损耗为0.001～0.004，同时兼具优异的隔热性能，获得了隔热-透波一体化气凝胶； (3)厘清了气凝胶纳米线三维网络中多组分界面协同增强的吸波机理，提出了利用透波/吸波双相协同，同步优化阻抗匹配和衰减损耗，提升材料吸波性能的新思路，建立了陶瓷气凝胶的两相共生化学气相沉积技术，通过氩气和氮气生长气氛的交替变化，获得了Si₃N₄纳米线/SiC纳米线复合气凝胶，及交替层状Si₃N₄/SiC纳米线气凝胶等系列宽频吸波气凝胶，其吸波频段宽度达8.4GHz，最高使用温度高达1000℃，同时兼具低热导率(0.03W/(m·K))，实现了高温隔热-宽频吸波一体化。上述关键技术为弹性陶瓷气凝胶的多功能应用奠定了实验和理论基础。 发明点四：针对类化学气相沉积过程中，纳米线生长及自组装对设备温度场和气氛场均匀性的特殊需求，率先研发出具有自主知识产权的国内首台高温旋转样品台气压烧结炉，解决了高温、高压下样品台的回转及密封问题，为高性能弹性硅基陶瓷气凝胶的制备提供了关键装备保障。该项目采用陶瓷气压烧结炉，实现了弹性陶瓷气凝胶的类CVD制备，大幅度降低制备成本。但在弹性陶瓷气凝胶制备过程中，由于常规气压烧结炉内温度及气氛不均匀，导致纳米线生长及自组装过程难以控制。为此该项目创造性地提出通过烧结过程中炉内样品台旋转，实现温度场和气氛场的均匀性。经反复调研，当时国内外均没有该类设备可供采购。于是项目组通过多层迷宫式结构设计控制保温层的间隙和对流、采用高压反应釜密封结构结合水冷，解决高压容器的回转密封、利用特制空心轴液压缸与炉内热电偶连接，解决进出热电偶的移动等关键技术难题，率先研发出具有自主知识产权的国内首台高温旋转样品台气压烧结炉。该思路除可应用于弹性陶瓷气凝胶的制备，经过改进，还可应用于其他气氛、真空、热压烧结炉，有效解决炉内温度均匀性问题，具有重要的使用价值。 经济效益和社会效益：该项目成果已实现专利成果的成功转让，并在企业形成了年产值超过8000万元的陶瓷气凝胶产品产线，推动了相关产业规模化发展，产生了持续而显著的经济效益。同时，项目团队自主研发了用于制备单晶柔性陶瓷气凝胶的专用装备，即全球首台高温旋转样品台气压炉，解决了单晶柔性陶瓷气凝胶在规模化生产中的工艺瓶颈问题，降低了制造成本，提升了产线稳定性，为成果的产业化落地提供了完整的技术链和装备支撑。通过技术许可的方式交由上海辰荣电炉股份有限公司生产，有效带动了上下游产业链的发展。在应用层面，该系列成果在航天用全陶瓷气凝胶吸波隔热一体化材料、超弹性陶瓷气凝胶材料及相变介质/气凝胶复合材料的性能验证，有效支撑了中国在高温热防护、电磁隐身材料的自主保障能力。该成果不仅带动了相关企业的技术升级和产业链完善，还为航空航天等关键领域提供了坚实的材料基础和技术支撑，具有重要的经济和社会效益。

船用蒸汽动力是船舶的心脏，具有对凝水水质要求高、工况变化频繁、工作环境和布局受限等特点。高温变工况凝水精处理技术一直是困扰船用蒸汽动力设计和安全运行的难点，主要存在高温凝水全流量净化技术、高温大容量特种除盐/除氧离子交换树脂制备技术、船用凝水精处理集成装置设计技术3个瓶颈问题。武汉第二船舶设计研究所研究团队开展的“船用蒸汽动力高温凝水精处理装置研发与应用”项目攻克了多个“卡脖子”的技术瓶颈，提出了船用蒸汽动力高温凝水全流量净化方法，研制了高温大容量特种除盐/除氧离子交换树脂和一体化凝水精处理装置。相关成果已应用于某重大船舶工程陆上试验、船用蒸汽动力等多型船舶和核电站，尤其是在船用蒸汽动力设计和建造中，为船用蒸汽动力功率大幅度提高创造了有利条件，有力支撑船舶动力系统简化和水质处理水平跨代升级，保障了船用蒸汽动力和新型蒸汽发生器安全、稳定运行。 1.研究背景：根据船用蒸汽动力型号需求背景，新型动力装置将采用管套管式高效新型蒸汽发生器，相应地对动力系统凝水的水质提出了非常严格的要求，从而给动力系统凝水的水质控制体系带来了根本的变化。新型蒸汽发生器二次侧容积很小，其传热管内凝水依次经过加热、蒸发和过热阶段后全部变成过热蒸汽，管套管新型蒸汽发生器的管与管之间只有1mm通流间隙，对凝水中的氯离子、溶解氧、铁离子、铜离子、悬浮颗粒等提出非常高的要求。其结构和运行特点决定了凝水带入的过多杂质，除被蒸汽带走极小部分外，绝大部分都将沉积在新型蒸汽发生器的受热面上，从而导致流通阻力增大、传热效率降低和产生垢下腐蚀，甚至导致传热管腐蚀破损等严重后果。因此，新型蒸汽发生器对动力系统凝水的水质要求非常高。水质净化技术能否取得突破，是管套管式高效新型蒸汽发生器能否成功应用于船用蒸汽动力的核心技术之一。亟须开展船用蒸汽动力高温变工况凝水精处理集成设计技术相关研究，解决复杂多工况变化以及高流速情况下凝水全流量水质净化难题，研制高温特种除盐/除氧离子交换树脂和凝水精处理装置，为船用蒸汽动力安全、可靠、稳定运行提供水质保障。 2.解决的关键技术：针对船用蒸汽动力高温变工况凝水精处理技术存在的难题，项目突破了以下3项关键技术。2.1船用蒸汽动力高温凝水全流量净化技术。针对某重大船舶工程新型蒸汽发生器高水质要求的特点，结合船用环境条件要求，项目创新提出“树脂除氧器+体外再生混床+树脂捕捉器”的动力系统高温凝水全流量净化技术方案，成功将水质电导率从传统的不大于1600μs/cm提升至不大于0.5μs/cm，实现了高温全流量除盐净化的技术突破。同时，实现了从传统复杂的热力除氧技术向高温特种除氧树脂全流量除氧技术的革新转变，简化了动力系统配置，解决了新型蒸汽发生器水质要求高、运行工况复杂和船舶空间布置有限等难题，实现了一次装填树脂后长周期任务剖面内长期稳定进行动力系统凝水全流量净化。通过除氧/除盐混合离子交换器原理样机试验、凝水精处理装置样机性能试验和某重大船舶工程凝水精处理装置试验，对动力系统水质净化技术方案进行了验证，最终形成了满足某重大船舶工程的动力系统的高温凝水水质净化技术。2.2高温大容量特种除盐/除氧离子交换树脂制备技术。针对动力系统凝水温度高，而离子交换树脂无法在55℃以上高温下长期运行的难题，项目提出了树脂基材分子链强化、耐高温有机物去除增孔溶出工艺、纳米功能基团再生等技术，开展了耐高温性能提升、综合性能优化选择、有机物去除工艺等系列成套后处理优化技术，形成了高温离子交换树脂新型配方和制备工艺，研制了耐高温大容量特种除盐/除氧离子交换树脂，形成了一套独特的高温离子交换树脂制备工艺，有效减少了树脂运行的有机溶出物，大幅提高了离子交换树脂耐温性能和交换容量，突破了传统离子交换树脂难以在高于55℃环境下长期运行的技术瓶颈。通过高温树脂性能特性试验、系统动态运行试验和长周期运行考核试验，进一步验证了在超高的凝水温度、高流速下，除盐离子交换树脂可高效快速去除凝水中氟离子、氯离子、硫酸根离子、铁离子、铜离子等杂质，出水水质优良；除氧离子交换树脂可高效快速去除凝水中的溶解氧，出水溶解氧含量小，除氧容量较大，达到了高温下有效去除凝水中离子杂质和深度除氧的水质目标。2.3一体化凝水精处理装置设计技术。针对船舶上有限布置空间和复杂多工况变化水质净化需求，项目研制了集成凝水水质除盐、除氧、过滤、运行控制等一体化凝水精处理装置。该装置将两台除氧离子交换器、两台除盐离子交换器、两台树脂捕捉器及相应管路阀门和监控装置集成布置在同一公共平台上。除氧离子交换器装载除氧树脂用于去除凝水中的溶解氧，除盐离子交换器装载除盐混合树脂用于去除凝水中的盐类及腐蚀产物，树脂捕捉器则用于截留少量泄漏的破碎树脂和其他较大颗粒的固体杂质，同时在离子交换器内构建了二级分水结构，大幅提高了离子交换器布水均匀性，间接提高了该装置一次装填树脂的处理水量，减少了布置空间需求。该布置和设计方案具有占用空间小、抗冲击性能好、内部流阻低等特点。通过一体化凝水精处理装置样机设计、加工，以及除氧/除盐混合离子交换器原理样机试验、凝水精处理装置样机性能试验和某重大船舶工程凝水精处理装置试验等，验证了一体化凝水精处理装置的各项性能指标，能够满足某重大船舶工程动力装置总体和系统对凝水精处理装置布置尺寸、运行能力等要求，具备低流阻、高除盐/除氧效率、出水水质好、适应多工况凝水流量变化等特点，实现了离子交换均匀性由0.776提升至0.996，解决了船舶空间狭窄、工况多变、凝水高流速复杂情况下全流量水质净化难题。 3.应用情况：项目研制的高温大容量特种除盐/除氧离子交换树脂具有耐温性能好、处理水量大、出水品质高等诸多优点，已成功应用到在建、在航民用船舶蒸汽动力、核电站，攻克了多个“卡脖子”的技术瓶颈，取得了较好的经济效益和社会效益。高温特种除盐/除氧离子交换树脂、一体化凝水精处理装置等成果已广泛应用于船舶领域，提高了水质水平和净化效率，减少了系统及设备的腐蚀、结垢，间接提高了设备换热效率，降低了故障发生概率，保障了船用蒸汽动力安全、稳定、可靠运行，经济效益显著，已销产品合同总额超过1.5亿元，可推广应用于核电、化工、供热、海水淡化等领域，关键技术自主可控，经济和社会效益显著。

消化系统疾病是包括早产儿、新生儿及儿童中最常见和最严重的急症，探索消化道损伤发病机制，制定针对性治疗措施一直是儿童医学领域研究重点和热点。该项目完成人系统揭示了肠道及肝脏损伤病理生理模型：包括粘膜炎症反应理论和微循环缺血缺氧的作用，并利用该理论指导治疗靶点的探索与选择。 该项目的主要科学发现点和科学价值在于：1)从理论上阐明不同病理生理基础上肠粘膜屏障的破坏使管腔细菌穿过上皮屏障、微生物或微生物衍生的分子触发促炎介质的过度和持续释放，加剧全身炎症引发严重的和组织损伤，并影响氧化应激。氧化应激状态通过调控多种蛋白质谷胱甘肽化，包括eNOS、I-kB，Fas，GSDMD等引起巨噬细胞活性和功能改变。巨噬细胞焦亡是一种关键的抗菌先天免疫防御机制。炎症小体不存在于静息细胞内，而是在细胞遇到宿主的感染性或非感染性威协时组装而成，这是整合环境刺激以启动先天和适应性免疫反应以维持体内平衡的关键平台，特别是在与微生物群落(包括胃肠道)交界的器官粘膜表面。研究发现在NEC患者的肠道病变中，NLRP3炎症小体、Caspase-1、IL-lB和IL-18的表达升高，它们与NEC的严重程度呈正相关。另一方面发现GSDMD轴介导的巨噬细胞焦亡与细菌感染有关，GSDMD敲除防止细菌从巨噬细胞中逃逸。2)肠道微循环的作用不论在NEC炎症损伤以及临床手术后肠功能恢复都非常重要，发现烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)参与调节氧化应激，进一步影响血管内皮细胞的功能，从而与肠道病理损伤有关。该研究还通过临床证据发现PGEl在术后肠梗阻、术后炎症恢复，严重并发症、ICU入院和接受大肠癌手术的患者住院时间方面的临床益处。 该项目在国家自然科学基金、重庆市自然科学基金、重庆市教委科学技术研究计划重点项目等纵向课题的资助下，在Nat Commun，Ann Surg，Free Radic BiolMed，Transl Res等高水平学术刊物上发表相关论文50余篇。该项目研究成果被众多国内外专家学者在多个国际顶级杂志如Curr Opin Chem Biol，J Adv Res，Redox Bio1，等主流杂志上发文述评，对该项目在肠道粘膜屏障功能、炎症损伤机制、肠道微循环作用等研究中做出的重要贡献做出肯定评价。