“多相反應過程中的介尺度機制及調(diào)控”重大研究計劃2015年度項目指南.docx

過程工業(yè)涵蓋能源和資源轉(zhuǎn)化利用等重要基礎產(chǎn)業(yè)，但效率低、污染重、資源浪費嚴重以及技術(shù)開發(fā)周期長、費用高等問題已成為該行業(yè)和全球可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。而多相反應過程是其中最普遍與核心的過程，探索這些過程中介尺度行為的形成機理、實現(xiàn)其科學定量描述與定向調(diào)控已成為過程工業(yè)發(fā)展和復雜性科學研究共同的前沿。所謂介尺度行為，是指由大量單元組成的系統(tǒng)在個體單元與全局系統(tǒng)之間的尺度范圍內(nèi)形成的復雜時空結(jié)構(gòu)。在多相反應過程中，它主要表現(xiàn)在分子尺度到顆粒（包括氣泡、液滴等離散單元，下同）尺度間的材料結(jié)構(gòu)或表界面時空尺度、以及顆粒尺度到反應器尺度間形成的非均勻結(jié)構(gòu)的時空尺度。其中發(fā)生的化學反應（原子分子水平）受傳質(zhì)擴散（分子群水平）和流動（宏觀統(tǒng)計水平）的影響而呈現(xiàn)復雜行為。本計劃將建立其測量和計算方法，闡明其機理，進而建立相關(guān)模型與理論，推動跨領(lǐng)域、跨學科的介尺度科學的形成與發(fā)展，服務于相關(guān)工藝和過程的開發(fā)。為此，本計劃將瞄準國際科學前沿、面向國家節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，服務于化石燃料和礦產(chǎn)資源的高效清潔綜合利用等關(guān)鍵技術(shù)，通過實驗、理論分析和計算機模擬等手段，聚焦反應介質(zhì)與催化材料的表界面和反應器內(nèi)的動態(tài)非均勻結(jié)構(gòu)兩個層次的介尺度問題及其在顆粒尺度的結(jié)合，重點揭示介尺度結(jié)構(gòu)對流動-傳遞-反應行為的影響及其耦合規(guī)律，建立多相反應過程定量設計、優(yōu)化和調(diào)控的方法，并形成以介尺度科學為基礎的過程工程學科新方向。一、科學目標針對化工和過程工程中的介質(zhì)、材料、催化和反應器四個方面普遍存在的介尺度問題，明確不同系統(tǒng)中介尺度結(jié)構(gòu)的定義和特征，闡明多尺度過程的介尺度作用機制，尋找量化規(guī)律，建立共性理論，發(fā)展針對介尺度結(jié)構(gòu)的動態(tài)測量技術(shù)，發(fā)展基于介尺度模型的科學計算方法；在此基礎上，鼓勵學科交叉，突破傳統(tǒng)過程開發(fā)方法的局限性，解決重大工程應用中的關(guān)鍵問題。鼓勵凝練介尺度關(guān)鍵科學問題、整合相關(guān)力量、開展更加有針對性的重點聯(lián)合攻關(guān)研究。二、核心科學問題本計劃將重點針對多相反應過程中介尺度行為和效應顯著的氣固、氣液、氣液固和復雜流體等系統(tǒng)，瞄準煤轉(zhuǎn)化和油氣加工等重大工藝開發(fā)的共性基礎問題，在深入剖析現(xiàn)有典型工藝的基礎上，對材料表界面和顆粒聚團兩個介尺度問題以及它們在顆粒尺度進行流動-傳遞-反應耦合的規(guī)律進行研究，解決以下三個關(guān)鍵科學問題：（一）反應器微元及微反應系統(tǒng)中介質(zhì)、材料及表界面介尺度結(jié)構(gòu)的形成機理與反應的定向調(diào)控。重點是揭示反應與擴散過程的機制及其耦合，建立模型，由此量化反應路徑、反應產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)間的相互影響。（二）多相反應器中介尺度流動-傳遞過程的多機制耦合與調(diào)控。重點是在多種宏觀約束下，建立反應器中非均勻結(jié)構(gòu)的物理模型，明確各種控制機制及其相互關(guān)系，從而闡釋其介尺度行為非均勻結(jié)構(gòu)的形成機理及其對傳遞過程的影響。（三）在研究以上兩個問題的基礎上，建立顆粒尺度上流動-傳遞-反應跨尺度關(guān)聯(lián)的理論與調(diào)控方法。重點是不同尺度機理模型的統(tǒng)一，在顆粒尺度形成對反應過程的各種現(xiàn)象的綜合描述，實現(xiàn)反應與流動和傳遞耦合的數(shù)學建模與優(yōu)化分析。這三個問題的解決，將奠定多相反應過程介尺度研究的基礎，并為相關(guān)過程的開發(fā)提供量化的理論與技術(shù)手段，實現(xiàn)在反應介質(zhì)、催化材料、反應器和集成技術(shù)等方面的系統(tǒng)原始創(chuàng)新，并為形成普遍的介尺度理論與方法體系，最終為形成介尺度科學奠定基礎。三、2015年度重點資助領(lǐng)域和研究方向（一）反應介質(zhì)及體系中的介尺度問題。探明氣、液、固反應介質(zhì)中基本單元（原子、分子及其帶電基團）的聚集行為及其對介質(zhì)性能或合成物結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。通過計算模擬與實驗研究，聚焦基本單元的聚集規(guī)律及其穩(wěn)定性條件，研究其中的介尺度結(jié)構(gòu)及其對反應過程的影響規(guī)律，進而設計新介質(zhì)和新工藝。（二）材料制備過程中的介尺度問題。采用實驗與模擬相結(jié)合的方法，揭示材料制備過程中介尺度結(jié)構(gòu)的形成、演化和控制機制，闡明反應和傳質(zhì)的協(xié)同作用對材料結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控規(guī)律，探索穩(wěn)定性條件與熱力學原理的相關(guān)關(guān)系，為材料的理性設計、大規(guī)模合成和制備提出新的科學依據(jù)。（三）催化過程中的介尺度問題。在現(xiàn)有理論計算和實驗研究基礎上，明確電子、電荷群體的介尺度行為及穩(wěn)定性條件，研究界面結(jié)構(gòu)、微環(huán)境及外場等不同調(diào)控手段對電子結(jié)構(gòu)及傳遞的控制機理及影響規(guī)律，從而實現(xiàn)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的可控性，理解轉(zhuǎn)化率、選擇性與電子、電荷群體介尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提高化學反應的效率，進而開發(fā)新型催化過程和工藝。（四）基于介尺度模型的反應器流動、傳遞、反應的耦合計算。針對重大應用過程中的大型反應器開發(fā)、設計和優(yōu)化（如煤轉(zhuǎn)化、石油化工等化石能源清潔利用及礦物加工過程），研究與顆粒、氣泡、液滴等相關(guān)的介尺度結(jié)構(gòu)對反應器和設備內(nèi)流動、傳遞、反應過程的影響規(guī)律，發(fā)展基于介尺度模型的計算流體力學方法，實現(xiàn)傳遞和反應的多尺度耦合模擬，突破傳統(tǒng)化學反應工程研發(fā)模式的局限性，探索虛擬過程工程的實現(xiàn)途徑。（五）介尺度問題的共性穩(wěn)定性原理和通用數(shù)學框架、基于介尺度理論的粗?；M和跨尺度連接方法。在分析不同系統(tǒng)介尺度穩(wěn)定性條件的基礎上，探索介尺度問題可能滿足的共性穩(wěn)定性原理，研究其與熱力學、統(tǒng)計力學等一般性原理之間的關(guān)系。根據(jù)介尺度問題的模型及其穩(wěn)定性條件所反映的不同尺度參數(shù)之間的邏輯關(guān)系和結(jié)構(gòu)，提出共性的高效計算模型、數(shù)值算法及計算體系結(jié)構(gòu)等。發(fā)展考慮亞網(wǎng)格介尺度結(jié)構(gòu)的連續(xù)介質(zhì)計算方法及考慮介尺度結(jié)構(gòu)的粗?；x散模擬方法。探索復雜系統(tǒng)中多目標變分等介尺度問題可能的通用數(shù)學表達框架，研究不同尺度參數(shù)之間的關(guān)系、解的方法和解的性質(zhì)。通過以上研究，建立基于介尺度理論的、針對多相復雜系統(tǒng)多尺度問題的跨尺度連接體系。（六）基于介尺度問題的學科交叉及重大應用。眾多復雜系統(tǒng)均呈現(xiàn)多層次、多尺度的特征（如生命和生物、化學和環(huán)境、流體和氣候變化等），認識每一層次的介尺度過程和機理應是這些學科領(lǐng)域的核心內(nèi)容。當前主流模型很少考慮介尺度結(jié)構(gòu)及其對各種參數(shù)的影響。為促進學科交叉，鼓勵從介尺度科學的角度認識和分析交叉領(lǐng)域復雜系統(tǒng)中的介尺度問題。鼓勵發(fā)展認識不同系統(tǒng)中介尺度結(jié)構(gòu)的實驗和測量手段以及相關(guān)的基于介科學的數(shù)據(jù)處理、分析和挖掘的方法，建立介尺度結(jié)構(gòu)的識別和表征方法，揭示不同體系中介尺度結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為及控制機制。鼓勵應用介科學原理分析、解決基礎研究和工業(yè)應用中的實際問題。四、2015年度資助計劃本重大研究計劃鼓勵不同學科研究隊伍的共同參與。2015年度計劃資助“直接費用”約4200萬元，擬對探索性強、開拓新方向的申請按“培育項目”予以資助，數(shù)量約30項，直接費用的資助強度為80萬元左右，資助期限為3年，申請書中研究期限應填寫“2016年1月1日-2018年12月31日”；對有一定工作積累、有望在介尺度科學方面取得重要突破的申請將按“重點支持項目”予以資助，數(shù)量約6項，直接費用的資助強度為300萬元-400萬元，資助期限為4年，申請書中研究期限應填寫“2016年1月1日-2019年12月31日”。申請人只填寫“直接費用”預算，“間接費用”及總經(jīng)費由系統(tǒng)自動生成。五、遴選項目的基本原則為確保形成介尺度科學的總體目標，本重大研究計劃要求所有申請應針對介尺度行為的本質(zhì)機理，旨在揭示規(guī)律、建立物理模型和預測方法，并實現(xiàn)工業(yè)應用。具體要求如下：（一）項目選擇原則。1.對象：面向過程工程領(lǐng)域涉及能源與資源高效轉(zhuǎn)化利用的多相反應過程，開展多尺度機制與調(diào)控的基礎研究。要求研究真正的介尺度問題，即：需要明確研究對象中的單元（或“小”）尺度、系統(tǒng)（或“大”）尺度和介于之間的“介尺度”的具體內(nèi)涵。2.內(nèi)容：必須明確所研究問題的介尺度特征，并提出認識介尺度行為機理的思路，認識和揭示介尺度行為形成的機制，演化規(guī)律和穩(wěn)定性條件。以建立物理和數(shù)學模型為目的，研究手段可包括實驗、計算和理論分析。3.目標：對多相反應過程的介尺度研究提出原創(chuàng)的基本理論與方法，顯著推進理論的集成升華和應用，為介尺度科學的形成作出實質(zhì)性貢獻，并將所認識的規(guī)律應用于實際能源與資源高效轉(zhuǎn)化利用過程。4.形式：(1)鼓勵凝練介尺度關(guān)鍵科學問題、整合相關(guān)力量、開展更加有針對性的聯(lián)合攻關(guān)研究的重點項目申報。(2)鼓勵多學科的實質(zhì)性合作研究，特別是與數(shù)理、化學、信息等學科間的交叉。注重理論與實驗的有機結(jié)合。鼓勵國際合作。（二）優(yōu)先資助方向。1.對介尺度科學具有原創(chuàng)性的理論和方法，能深刻揭示介尺度過程中不同機制相互作用的規(guī)律，提出嚴密的理論模型和可行方法；2.針對多相反應過程中材料表界面和顆粒聚團兩個介尺度在顆粒尺度關(guān)聯(lián)的研究；3.上述兩方面在能源與資源高效轉(zhuǎn)化利用等領(lǐng)域的應用基礎研究，特別是對化石燃料的高效綜合利用；4.特別鼓勵對介尺度科學共性數(shù)學和物理問題的研究。5.特別鼓勵凝練介尺度關(guān)鍵科學問題、整合相關(guān)力量、開展更加有針對性的聯(lián)合攻關(guān)研究的重點項目。（三）不宜資助情形。1.雖針對介尺度問題，但非機理性和基礎性研究，不涉及介尺度行為形成的機制和穩(wěn)定性分析，無法形成物理模型；2.不能明確介尺度問題，只是對多尺度問題的籠統(tǒng)描述；3.超出指南界定的三個核心科學問題，即兩個介尺度問題及其在顆粒尺度的耦合。六、申報要求及注意事項（一）申請條件。本重大研究計劃項目申請人應當具備以下條件：1.具有承擔基礎研究課題的經(jīng)歷；2.具有高級專業(yè)技術(shù)職務（職稱）。正在博士后流動站或者工作站內(nèi)從事研究、正在攻讀研究生學位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的科學技術(shù)人員均不得申請。（二）限項規(guī)定。1.具有高級專業(yè)技術(shù)職務（職稱）的人員，申請或者參與申請本次重大研究計劃項目與處于評審階段（申請和參與申請的項目在國家自然科學基金委員會做出資助與否決定之前）和正在承擔（包括負責人和主要參與者）的以下類型項目合計限為3項：面上項目、重點項目、重大項目、重大研究計劃項目（不包括集成項目和指導專家組調(diào)研項目）、聯(lián)合基金項目、青年科學基金項目、地區(qū)科學基金項目、優(yōu)秀青年科學基金項目、國家杰出青年科學基金項目（申請時不限項）、國際（地區(qū)）合作研究項目、國家重大科研儀器研制項目（含承擔科學儀器基礎研究?？铐椖亢蛧抑卮罂蒲袃x器設備研制專項項目）、優(yōu)秀國家重點實驗室研究項目，以及資助期限超過1年的應急管理項目。2.申請人（不含參與者）同年只能申請1項重大研究計劃項目。上一年度獲得重大研究計劃項目資助的項目負責人（不包括集成項目和指導專家組調(diào)研項目），本年度不得再申請重大研究計劃項目。 （三）申請注意事項。1.申請書報送日期為2015年9月18日至23日16時。2.本重大研究計劃項目申請書采用在線方式撰寫。對申請人具體要求如下：（1）申請人在填報申請書前，應當認真閱讀本項目指南和2015年度國家自然科學基金項目指南中申請須知的相關(guān)內(nèi)容，不符合項目指南和相關(guān)要求的申請項目不予受理。（2）本重大研究計劃旨在緊密圍繞核心科學問題，將對多學科相關(guān)研究進行戰(zhàn)略性的方向引導和優(yōu)勢整合，成為一個項目集群。根據(jù)項目指南公布的擬資助研究方向，申請人可自行擬定項目名稱、科學目標、研究內(nèi)容、技術(shù)路線和相應的研究經(jīng)費等。（3）申請人登錄科學基金網(wǎng)絡信息系統(tǒng)（以下簡稱ISIS系統(tǒng)，沒有系統(tǒng)賬號的申請人請向依托單位基金管理聯(lián)系人申請開戶），按照撰寫提綱及相關(guān)要求撰寫申請書。（4）申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“培育項目”或“重點支持項目”，附注說明選擇“多相反應過程中的介尺度機制及調(diào)控”，根據(jù)申請的具體研究內(nèi)容選擇相應的申請代碼。以上選擇不準確或未選擇的項目申請將不予受理。培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。（5）申請人應當按照重大研究計劃申請書的撰寫提綱撰寫申請書，須具有明確的關(guān)鍵科學問題，并應論述與項目指南最接近的科學問題的關(guān)系，以及對解決核心科學問題和實現(xiàn)項目總體目標的貢獻。如果申請人已經(jīng)承擔與本重大研究計劃相關(guān)的國家其他科技計劃項目，應當在報告正文的“研究基礎”部分論述申請項目與其他相關(guān)項目的區(qū)別與聯(lián)系。（6）申請人完成申請書撰寫后，在線提交電子申請書及附件材料，下載打印最終PDF版本申請書，向依托單位提交簽字后的紙質(zhì)申請書原件。（7）申請人應當保證紙質(zhì)申請書與電子版內(nèi)容一致。3.依托單位應當對本單位申請人所提交申請材料的真實性和完整性進行審核，并在規(guī)定時間內(nèi)將申請材料報送國家自然科學基金委員會。具體要求如下：（1）應在規(guī)定的項目申請截止日期（2015年9月23日16時）前提交本單位電子申請書及附件材料，并統(tǒng)一報送經(jīng)單位簽字蓋章后的紙質(zhì)申請書原件（一式一份）及要求報送的紙質(zhì)附件材料。（2）提交電子申請材料時，應當通過ISIS系統(tǒng)逐項確認。（3）報送紙質(zhì)申請材料時，還應當包括本單位公函和申請項目清單,材料不完整不予接收。（4）可將紙質(zhì)申請材料直接送達或者郵寄至國家自然科學基金委員會項目材料接收工作組。采用郵寄方式的，請在項目申請截止時間前（以發(fā)信郵戳日期為準）以快遞方式郵寄，并在信封左下角注明“重大研究計劃項目申請材料”。請勿使用郵政包裹，以免延誤申請。4.申請書由國家自然科學基金委員會項目材料接收工作組負責接收，化學科學部負責受理及后續(xù)工作。通訊