清华大学徐建鸿教授和青岛大学马庆明教授：面向碳中和的微化工绿色微流控体系

文章信息

Green microfluidics in microchemical engineering for carbon neutrality

Jianhong Xu（徐建鸿），Qingming Ma（马庆明）

Volume 53, January 2023, Pages 332−345

https://doi.org/10.1016/j.cjche.2022.01.014

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Chinese Journal of Chemical Engineering

研究背景

根据中国国民经济和社会发展第十四个五年计划纲要草案（2021—2025年），我国承诺到2060年实现碳中和。作为天然原料和下游终端消费品之间的重要纽带，化学工程行业贡献了中国工业碳排放总量的16.7%和能源碳排放总量的6%，年排放量接近15亿吨/年。因此，“碳中和”概念的提出对化学工程领域提出了巨大的挑战，也为推动创新技术的发展、实现碳抵消和减少排放带来了巨大机遇。微化工（Microchemical Engineering）作为新兴的化学工程学科关键技术已被公认为化学工程中实现节能减排的最经济可行的策略之一。微化工技术利用集成和小型化微通道设备作为核心，通过在微通道中微米级的混合和分散，可以强化热和质量传输及反应，实现具有高可控性、提高产率、抑制副产物形成和降低能耗的产品生成，具有高效、安全和节能的内在属性，是化工过程强化向碳中和方向发展的一种很有前景的方法。

其中，可在微通道中精准操纵和处理微体积多相流的微流控技术（Microfluidics）作为微化工的核心之一，为实现高效可控的微化工过程提供了可能。微流控的应用已经从分析化学和喷墨打印的早期使用扩展到精细化学品和新材料的合成、高通量分析以及细胞和细胞内系统的模拟等前沿新兴领域。但目前微化工中微流控技术面向碳中和方向的发展还处于初级阶段，任重道远。值得注意的是，包括微流控装置和流体系统构建在内的现有的相关应用都不足以完全满足碳中和的要求。因此，面向碳中和方向发展高效、低成本、环保的微流控技术迫在眉睫。这种“绿色微流控体系”将大大有助于减少原材料来源的碳排放，促进可控和强化的微化工过程，实现碳抵消和减少碳排放，为化学工程行业转型升级提供新的动力。

成果展示

青岛大学马庆明教授和清华大学徐建鸿教授结合自身在微化工及微流控领域的研究经验，对面向碳中和的微化工领域的绿色微流控体系的最新研究现状、挑战和机遇，发表了面向碳中和的微化工及微流控领域的首篇前瞻性综述。

文章首先对微化工领域中绿色微流控体系的发展进行了分类和评述，包括通过使用生物基基底材料和低碳制造方法构建微流控装置，以及使用更具生物相容性和非破坏性的流体系统，如双水相系统（ATPS）等构建微流控多相流体系。在此基础上，该综述全面总结了面向碳中和的绿色微流控体系的应用，包括生物分子的分离和纯化、化学品和药物的高通量筛选、快速和经济高效的检测以及精细化学品和新材料的合成等。

最后，该综述提出并讨论了在碳中和的大背景下于微化工中进一步发展绿色微流控体系的挑战和前景：

（1）目前适合绿色微流控体系的衬底材料种类有限，因而需要进一步拓宽衬底材料来源。与合成聚合物相比，蛋白质和天然聚合物等天然来源的材料由于其对石化资源的独立性、生物相容性和在自然界中的可获得性而更有前景，因此该文章提出未来的研究应更多地注意验证天然原材料作为基底材料的潜力。

（2）碳中和目标的达成需要具有特殊设计的物理结构和化学成分的新型碳捕获材料，因而利用绿色微流控技术制备这些新型材料，以更有效的方式捕获二氧化碳，是非常值得系统研究的方向。

（3）建立一个一体化、小型化的实验室一直是化学工程界的梦想。然而，微流控的产业化和商业化还远远没有完成，大多数实验还没有建立一个集成的、小型化的系统，而是将一个小型的微流控装置与复杂的仪器连接起来，或者与宏观尺度的控制架构进行接口。因此，未来亟需架构真正集成化和小型化的绿色微流控系统，并最终实现其商业化。

图文导读

面向碳中和的微化工领域中绿色微流控体系的关键点概述

作者及团队介绍

徐建鸿，清华大学教授，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事微化工过程与多相微流控技术研究，致力于多相微分散体系的传递与反应过程基础及其应用研究。先后主持国家自然科学基金项目、国际合作项目和企业横向合作项目等20余项；在AIChE J、Chem Eng Sci、Lab Chip、Adv Funct Mater、Small 等本领域主流期刊上共发表学术论文 160 余篇，被他引 4000 余次；获授权中国发明专利20余件，多项研究成果实现工业应用转化。获国家技术发明二等奖（第5完成人）和中国化工学会科学技术一等奖（第1完成人）等多项国家/省部级科学技术奖；曾获全国优秀博士学位论文奖（2009）、国家基金委优青（2013）、全国石油和化工行业优秀科技工作者（2018）等荣誉；2012年入选英国皇家化学会首届 Lab on a Chip 新科学家（Lab on a Chip Emerging Investigator 2012），2017年入选美国化学会 Ind. Eng. Chem. Res. 首届“有影响力研究者”（2017 Class of Influential Researchers）。

马庆明，青岛大学药学院教授，美国哈佛大学访问学者。现任中国化工学会微化工专委会青年委员、国家自然科学基金通讯评审专家，青岛市高新技术企业认定评审专家，青岛市人才工程计划评审专家。主要研究领域为微流控技术、双水相体系、软物质、药物制剂新技术、生物功能材料等在微化工、新药研发及生物医学领域的应用和发展。迄今以第一或通讯作者身份在Nature Communications、Advanced Science、NPG Asia Materials、ACS Macro Letters、Journal of Materials Chemistry B、Soft Matter、ACS Applied Materials Interfaces 和Nanoscale 等影响力较高的国内外学术刊物上发表高水平论文40余篇。相关研究成果还获授权美国发明专利1 项，国际WIPO发明专利1项，中国发明专利6 项；已实现成果转化2项。作为课题负责人主持及参与多项国家自然科学基金项目重大研究计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目、中国博士后面上基金项目、青岛市应用研究项目及企业横向课题等。担任Advanced Materials、Chemical Engineering Journal、Biomaterials、ACS Applied Materials Interfaces、Nanoscale、International Journal of Pharmaceutics、Journal of Nanobiotechnology 等高水平期刊审稿人。

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