塑料催化熱解制備碳納米管生長特性和機制的研究進展

黎書江 ，肖皓宇 ，蔣 好 ，姚丁丁 ，陳應泉 ，王賢華 ，楊海平,* ，陳漢平

（1. 華中科技大學能源與動力工程學院 煤燃燒與低碳利用全國重點實驗室, 湖北 武漢 430074；2. 華中農業大學工學院, 湖北 武漢 430070）

在“2030 碳達峰、2060 碳中和”和垃圾分類的雙重背景下，資源化利用成為有機固廢處置的重要方向，廢塑料是固廢中礦物碳含量較高的部分。以減塑降碳為主，促進廢棄塑料資源化利用是未來的發展方向。塑料因其獨特的優勢被廣泛應用到生產和生活中。第二次世界大戰以來，全球塑料產量幾乎呈指數級增長，在此期間生產了超過8300 億噸塑料。年產量從1950 年的約200 萬噸增長到現在的4 億多噸，增長了230 倍，其中，一次性塑料占目前塑料產量的35%-40%[1]。疫情后人們生活習慣改變，日常生活中，也產生了大量的口罩、防護品等一次性塑料廢棄物[2,3]。然而廢塑料的回收有限，大量塑料廢棄物帶來了嚴重的白色污染，并對人體健康帶來較大的傷害，因此，廢塑料的高效處理日益重要。塑料主要來源于石油、天然氣等具有高碳元素含量的原料合成加工，其具有較高回收利用價值。利用塑料在惰性氣體氛圍下熱解重整制備高品質炭材料，對于實現塑料高效回收利用和環境治理意義重大。同時廢塑料作為碳中性燃料，其熱解制備碳納米管實現負碳利用，對碳中和目標的實現也有重要意義[4]。

相對于傳統的單一碳源制備碳納米管而言，塑料催化熱解制備CNTs 過程更復雜，CNTs 生長過程不僅受熱解揮發分成分的影響，還受催化過程的影響，而揮發分的組成又受塑料種類、熱解段溫度的影響。Yao 等[5]發現，提高催化溫度有利于提高碳納米管產率純度（80%以上）。Cai 等[6]發現，塑料的來源對其熱解制備的碳納米管特性有著明顯的影響，聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）生成的碳納米管結構更加有序，而聚苯乙烯（PS）得到的碳納米管中無定型結構較多。Acomb 等[7]發現，催化劑的種類和結構對碳納米管的形成也有緊密的關聯。雖然廢塑料熱解制備碳納米的研究報道已經很多，但還缺乏比較全面的認識，而且廢塑料熱解催化制備CNTs 的機理不夠清晰，特別是廢塑料種類多樣，熱解產物復雜，同時催化劑大小、結構和種類對CNTs 成核、生長等都有重要的影響[7-9]。鑒于此，本綜述從制備過程、催化劑以及塑料種類等方面總結了廢塑料熱解制備碳納米管過程特性，并從微觀尺度對碳納米管的形成過程機理進行了深入解析，為廢塑料熱解制備碳納米管過程的理解以及廢塑料資源化利用技術的開發提供理論參考。

1 塑料催化熱解制備碳納米管過程特性

以廢塑料為原料，催化熱解制備碳納米管的過程復雜，所得碳納米管的特性受催化劑溫度、揮發分等因素的影響。表1 匯總了在不同反應條件下催化劑和塑料原料所制備的碳納米管的主要特性，從表1 可以發現，塑料來源、催化劑種類、熱解和催化溫度對碳納米管的形成特性都有著明顯的影響，鑒于此，下面將主要從塑料種類、溫度和催化劑三個方面來闡述相關研究進展。

表1 不同塑料制備CNTs 特性Table 1 Summary of CNTs prepared by different plastics

1.1 塑料原料種類

城市生活垃圾中塑料的種類多種多樣，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，一般聚烯烴塑料占比較高，包括20%聚丙烯、17.4%高密度聚乙烯、20.6%低密度聚乙烯和少量的聚氯乙烯等[18]；此外，高沖擊聚苯乙烯和通用聚苯乙烯（GPPS）也普遍存在于城市生活垃圾中[18,19]。Cai 等[6]發現，聚乙烯和聚丙烯在Fe/Al2O3催化熱解時得到較多的CNTs，而聚苯乙烯卻得到較多無定形碳和氫，典型結果如圖1 所示。Wu 等[20]在采用Ni-Mn-Al 催化熱解塑料制備碳納米管時也發現聚苯乙烯容易使催化劑封裝失活，CNTs 的產率較低，但其液體油產率明顯高于其他塑料。Chung 等[13]發現，與PP 制備的CNTs 相比，PS 制備的CNTs 具有較厚的管壁。Wu 等[21]發現，機油容器（MOC）和高密度聚乙烯催化熱解可以形成結構較好的CNTs，而HDPE/PVC 熱解獲得的CNTs 結構和純度都較差。Cai 等[6]指出，塑料種類對碳納米形成特性的影響主要是其熱裂解后含碳揮發份的不同，聚烯烴在熱解時生成較多的C1-C4小分子碳氫氣體易于形成CNTs，而聚苯乙烯中的芳香基團聚合速率較快容易形成無序的碳團簇。

圖1 不同類型廢塑料催化熱解的TEM 照片Figure 1 TEM images of catalytic pyrolysis of different types of waste plastics[6]

塑料熱解產物揮發分組成復雜，包含有脂肪烴和芳香族化合物等[22,23]，而碳納米管的形成依賴于碳氫化合物前驅體的化學結構[24]。Shah 等[25]發現，線性碳氫化合物如甲烷、乙烷等生成直的CNTs，而環狀碳氫化合物如苯、環己烯等更易生成彎曲的CNTs。Lai 等[26]發現，利用芘和二甲苯可以加快碳納米管的生長速率。Parker 等[27]發現，使用異丙醇作為碳源時，半導體單壁碳納米管的比例最高可達85%。Gong 等[28]發現，塑料熱解氣體產物中C3-C5是CNTs 形成的主要碳源，而產生的中間芳香族化合物或多環芳烴產物可直接在催化劑表面脫氫芳構化形成CNTs，但這易導致產物碳納米管粗細不均勻，且表面粗糙和易彎曲[29]。通過預處理調控廢塑料熱解揮發分氣體的組成也可改變碳納米管結構，Veksha 等[30]通過加入多金屬催化劑，改變聚烯烴熱解揮發分組成，發現可以合成少壁CNTs。

塑料的來源復雜、種類眾多，還有部分塑料含有的Cl、Br、S 等雜質，這也會影響碳納米管的生長和應用[31-33]。廢塑料中Cl 的存在會在碳納米管形成過程中毒害催化劑，導致CNTs 的產率下降[12]。Yang 等[11]發現，相對于PE，PVC 生長的CNTs 相互纏繞緊密，形成了缺陷較多的CNTs，且Cl 元素不能穩定在CNTs 上。通過適當預處理可清除雜質和污染組分，對廢塑料的高效轉化和清潔利用具有重要的意義。祝玉婷[34]發現，將PVC 在280 ℃預處理除氯后在600 ℃熱解溫度和800 ℃催化溫度下可以制得很好的碳納米管。

1.2 溫度對碳納米管形成特性的影響

熱解溫度對碳納米管的形成具有重要的影響，同種塑料在不同溫度熱解，其揮發分組成也不一樣，其CNTs 特性也有明顯的差異[35,36]。Yang 等[37]發現，隨著熱解溫度從500 ℃升高至700 ℃時，碳納米管產率明顯降低。但Aboul 等[16]發現，當熱解溫度從500 ℃升高到800 ℃時，CNTs 產量明顯增加，從14.7%增加到28.1%；Bajad 等[17]也發現類似結果。Westerhout 等[38]發現，相對于PE，溫度對PP熱解的影響更為明顯。熱解溫度主要改變了用于碳納米管生長的碳前驅體成分，因而所得到的碳納米管的品質和產率都會受到影響。Liu 等[39]發現，PP 熱解時CNTs 產量與熱解揮發分中丙烯和丁烯的變化趨勢相似，且較高熱解溫度下所得CNTs 的石墨化程度和熱穩定性高于低熱解溫度下所得CNTs。

催化溫度是影響廢塑料熱解和碳納米管形成的重要因素[39,40]。Zhang 等[41]發現，當催化溫度從700 ℃升高到900 ℃時，催化劑表面碳沉積的量明顯增加，從32.5%增加到38.0%。Liu 等[39]發現，當催化溫度從500 ℃升高到700 ℃時，碳沉積量從23.7%增加到34.1%。而隨著催化溫度升高，其形貌也發生了很大變化，圖2 為聚丙烯在不同催化溫度下得到的CNTs 表面形貌，可以發現當催化溫度較低時（700 ℃），主要為無定形碳，800 ℃時主要形成結構有序的碳納米管；而隨溫度進一步升高（900 ℃），得到了更多的碳沉積，主要以碳微球、碳顆粒等其他形態碳為主[42]。Acomb 等[43]也發現類似結果。這主要是因為隨著溫度的升高，碳在金屬顆粒中的擴散速率加快更易形成碳納米管，而過高的溫度使得碳結構更易團聚而形成碳微球[44]。Mishra等[45]在利用聚丙烯催化熱解制備碳納米管時也發現在較高溫度下（800 ℃）合成的CNTs 具有光滑的表面和較少的缺陷；而在較低溫度下（600 ℃）合成的CNTs 具有較高的雜質、缺陷和無序成分。催化溫度不僅影響碳結構特性，對催化劑的結構以及催化性能也都有重要的影響，Ducati 等[46]發現，碳納米管生長過程中催化溫度影響催化劑最佳顆粒尺寸和形狀，過高的催化溫度會使催化劑熔融團聚形成較大顆粒催化劑，進而影響碳納米管直徑和管壁厚度。綜上可以發現，溫度是影響塑料制備CNTs 的重要因素，其中，熱解溫度不同將會導致塑料熱解揮發分的組成不同[47]，過高的溫度將會導致揮發分環化形成芳香族化合物和小氣態分子，過低的溫度則會形成蠟狀物，從而影響CNTs 的結構[28,48]。而催化溫度將會引起熱解揮發分的二次重組，并影響催化劑的活性，過高的催化溫度將會形成碳微球，而過低的溫度會形成無定形碳，進而影響CNTs 的產率和結構[46]。

圖2 不同催化溫度所得CNTs 的SEM 照片[42]Figure 2 SEM images for CNTs derived from different catalytic temperature[42]

1.3 催化劑對碳納米管形成特性的影響

催化劑作為CNTs 形成的載體，其性能對CNTs的生長至關重要[49,50]。目前，用于制備碳納米管的催化劑主要是過渡金屬。過渡金屬Fe、Ni 和Co是制備CNTs 最常用的催化劑，這是因為過渡金屬具有較高的碳溶解度，作為石墨碳的沉積中心，有利于促進CNTs 生長[51]。對于單一過渡金屬而言，Acomb 等[7]發現，Fe、Ni 和Co 均能有效促進CNTs生長，而Cu 不利于CNTs 的生長。Liu 等[52]研究Ni/SiO2和Fe/SiO2催化劑對PP 制備碳納米管的影響，發現鐵金屬顆粒具有較高的碳溶解性，更有利于CNTs 的生長，而鎳的存在有利于優化CNTs 的結構。Wang 等[15]發現，采用鎳催化劑制備的碳中CNTs 含量最高達到93%。Zhao 等[53]發現，Co 催化劑在多孔氧化鎂的負載下具有高穩定性，同時多孔性限制還原Co 納米顆粒的遷移率，進而促進小直徑單壁碳納米管的成核。而Lin 等[54]在銅基催化劑上制備出少量竹狀多壁碳納米管。

針對金屬催化特性的不同進行雙金屬催化劑的優化調配可得到較高穩定性的催化劑[55]，而催化劑中金屬比例對廢塑料熱解制備CNTs 的能力有明顯影響[56]。Nahil 等[57]發現，Ni-Mn 雙金屬催化劑可以提高碳納米管性能，降低氣體產率。Yao等[58]發現，Ni-Fe 雙金屬催化劑在CNTs 產率方面比Ni 或Fe 單金屬催化劑表現出更高的催化活性。圖3 為采用Ni-Fe 雙金屬催化劑制備的碳納米管的微觀形貌分析和碳產率及拉曼分析，可以發現雙金屬在催化劑中總占比10%時，Fe 含量越大，催化劑裂解能力越強，碳沉積越多，Ni/Fe 比為1∶3 時，碳產率達到50%，而Ni 的存在提高了碳的熱穩定性和石墨化程度，Ni/Fe 比為3∶1 時，拉曼的ID/IG值最小[59]。Shen 等[60]發現，雙金屬之間可以互補調節活性組分與載體的相互作用，從而有利于為碳納米管的生長提供適宜的條件，更有利于碳納米管的提純。

圖3 不同鎳鐵物質的量比反應催化劑的TEM 照片[59]Figure 3 TEM analysis of reacted catalysts with different Ni to Fe mole ratio[59]

研究人員發現，非金屬催化劑也具有制備CNTs的能力。Liu 等[61]采用含有中間體SiOx的SiO2納米顆粒成功制備單壁碳納米管。Takagi 等[62]發現，納米金剛石顆粒也可以有效地促進碳納米管生長成核。而為更好提高催化劑的活性，常采用非金屬氧化物或金屬氧化物作為載體與活性金屬結合制備催化劑，同時載體的種類對催化劑的催化性能也有著關鍵的影響[7,15,63]。載體的穩定作用可以防止納米顆粒的團聚和聚集，從而提高CNTs 的收率和質量。Awadallah 等[64]發現，SiO2為載體時，碳納米管產率低。Cai 等[65]發現在負載Fe 后，Al2O3作載體時比SiO2和TiO2得到更多的碳沉積。其主要是因為負載在Al2O3上的金屬不會發生聚集，金屬分散性和穩定性好；而在SiO2上的金屬容易發生聚集，當金屬粒徑較大時，催化劑活性降低[66]。而不同氧化鋁載體的活性也不同，Yao 等[58]發現，相比于α-Al2O3，γ-Al2O3為載體時更容易促進碳納米管的生長。Modekwe 等[10]發現，CaTiO3作載體，碳產率最高為40.0%，而無載體催化劑的碳產率最低為18.4%。催化助劑和載體類型對催化劑整體的性能具有較大影響[10]，在催化劑顆粒中添加硫等添加劑可以減小內徑并增加壁數[67,68]。而對于催化劑，其結構尺寸和催化劑溫度都會影響其催化活性，選擇合適的結構和催化過程對于廢塑料熱解制備碳納米管意義重大[59,69]。

2 碳納米管的成核和生長機制

塑料熱解過程復雜，影響因素多，碳納米管生長過程的描述對于廢塑料制備碳納米管十分重要，然而受實驗條件限制，生長過程機理仍不清晰[70]。近年來，學者們從實驗和模擬等角度，利用小氣體分子、大分子塑料等探索了塑料制備CNTs的生長過程，生長過程主要包括金屬表面碳納米管的成核和生長兩個階段[71,72]。

2.1 碳納米管成核階段

為探究不同因素對于CNTs 成核的影響，Wang等[15]發現，當使用鎳-鎂催化劑時，金屬-碳原子的相互作用過弱，CNTs 短小且產率低，而當使用鐵基催化劑時CNTs 長且產率高。Cai 等[73]發現，CNTs的平均內徑與鐵顆粒粒徑大小變化一致。Edgar等[74]發現，通常活性金屬和載體之間相互作用的強弱與載體表面上的酸性和堿性位點有關。而為更好揭示CNTs 成核過程，研究人員從原子層面進行更加詳細的研究。Amara等[75]發現，團簇溶碳能力取決于催化劑的種類和狀態，液相通常比相應的晶體表現出更大的溶解度[76]。Abild 等[77]從能壘的角度研究了C 在Ni 表面或亞表面融入析出過程，發現在表面粗糙處容易形成強碳鍵和鎳鍵成為CNTs 優先生長中心。Ohta 等[78]發現，CNTs 與金屬界面邊緣聚炔鏈的形成有效地引發五邊形/六邊形/七邊形環的形成進而促進碳納米管的進一步生長。Raty 等[79]發現，金屬團簇與碳原子的黏附力是保證CNTs 成核的關鍵。有研究發現Fe 的黏附強度強于Ni，表面Fe 納米通過反復破壞新形成的C-C 鍵來阻止形成sp2雜化碳網絡，而Ni 則通過形成更穩定的C-C 鍵避免形成sp2雜化碳網絡，進而維持開放邊緣穩定性[72,80]。Ding 等[81]通過對比不同金屬團簇粒徑發現控制催化劑簇的大小有助于控制碳納米管的結構和直徑。對于黏附強度強的Fe、Co、Ni 等金屬團簇，其生長的碳納米管與團簇的管徑相當[82-84]。Shibuta 等[85]研究發現，催化劑的結構對于碳帽的形成具有重要作用，而溫度不適配會導致反應過程中催化劑的封裝失活和非定型碳的形成。Ribas 等[86]發現高溫時碳的快速擴散有利于碳納米管的成核，而低溫下有限的碳擴散阻礙了碳納米管的形成和脫離最終導致封裝,其主要是因為高溫下金屬團簇表面液化較快，而碳原子向金屬擴散隨后并入納米管的過程隨著溫度的升高而加速[87]。Ding 等[88]采用基于經驗勢能面的分子動力學模擬方法研究了不同溫度下鐵催化CNTs 的成核和生長特性，發現在溫度較低時（＜327 ℃），石墨烯薄片將催化劑顆粒封裝起來，而在527-1127 ℃時，生長形成CNTs，而在高溫下（＞1327 ℃）會形成三維碳煙狀結構。

綜上，CNTs 成核過程可以描述為四個連續的階段（見圖4(a)）。第一，金屬團簇表面液化，碳原子溶解在團簇中。第二，當團簇中的碳過飽和，團簇析出與析入碳所需能量相當時，碳原子在團簇表面析出，隨著溶解碳濃度的增加，越來越多的碳原子沉淀在團簇表面，形成碳串或碳多邊形，前期形成的五元環是后期CNTs 成核的關鍵一步[72]。第三，這些碳串和多邊形在團簇的作用下連成整體（石墨島），在合適的溫度下單個或多個石墨島逐漸變大，最終脫離團簇表面形成半球形圓頂（碳帽）。第四，碳帽的直徑逐漸增大，直至團簇對CNTs的黏附強度與開放端形成碳帽的能量的相當時，碳帽直徑停止增大，碳帽直徑最大可以與團簇粒徑相當，析出的碳原子連接到CNTs 的開口端，CNTs長度開始伸長[89,90]，而當黏附強度弱于開放端形成碳帽的能量時，CNTs 開口端閉合（見圖4(b)）。

圖4 碳納米管成核過程（a）[88]，碳納米管的結構變化（b）[82]Figure 4 Nucleation process of carbon nanotubes (a)[88], Structural changes of carbon nanotubes (b)[82](with permission from ACS Publications)

2.2 碳納米管生長階段

金屬催化劑與載體種類和結構的不同會改變碳納米管的生長機制，而催化溫度又會對催化劑的結構產生影響[91]。Yao 等[5]采用Ni-Fe/γ-Al2O3為催化劑制備碳納米管時，發現700 ℃時碳納米管的生長方式以底端生長為主導，800 ℃時碳納米管生長以頂端生長方式為主。而900 ℃則形成了實心的碳納米纖維。Haldor等[92]發現，生成CNTs前期Ni 納米晶體持續伸長后突然收縮成球形呈現頂端生長。姚丁丁[49]發現Fe/γ-Al2O3制備碳納米管時CNTs 呈現頂端生長。但Yoshida 等[93]以Fe/SiO2為催化劑時，發現催化劑在制備碳納米管時發生結構拉伸，并最終收縮成球呈現底端生長。當金屬與載體之間強弱作用力和結構不同時，碳納米管的生長機制也會發生改變。Zhang 等[94]發現，當金屬顆粒與載體呈銳角時，接觸金屬-載體相互作用較弱，碳納米管在催化劑上呈現頂端生長；而當金屬顆粒與支架的接觸角為鈍角時，金屬-載體具有強相互作用，碳納米管在催化劑上呈現底端生長。Ma 等[95]提出當催化劑與載體的相互作用強度較弱時，碳納米管從催化劑底部生長，從而推動整個催化劑遠離基體。

為了進一步探究塑料催化熱解制備碳納米管的生長過程，Liu 等[96]利用苯催化熱解制備CNTs，發現苯能夠通過斷C-H 鍵釋放六邊形碳環，成為CNTs 的基本構件實現碳納米管連續生長。Ago等[97]首先將13CH4引入石英管中反應1 min，在30 s內逐漸切換到12CH4氣體，繼續反應1 min，發現最初形成的富13C 納米管部分被催化劑顆粒推離，逐漸被富12C 納米管部分取代，靠近催化劑表面碳納米管富含12C，而遠離催化劑表面的碳納米管富含13C，這證明碳原子是先吸附到催化劑表面，再進行析出。而碳納米管的生長是頂端生長機制和底端生長機制共存，但只有頂端生長機制可以產生長且定向的CNTs[98]。圖5 描述了CNTs的生長機制，CNTs 呈現頂端生長和底端生長由催化劑、載體和CNTs 之間的相互作用共同決定，不能簡單以催化劑來區分碳管的生長模式，而具體生長模式可通過催化劑與CNTs 間的黏附強度以及碳顆粒的擴散強度的對比判定。具體如下：當催化劑與CNTs 之間黏附強度大于邊界的碳擴散強度時，催化劑被多余的碳原子完全覆蓋，催化劑失活，CNTs 停止增長。當催化劑與CNTs 之間黏附強度小于邊界的碳擴散強度時，碳原子首先在催化劑頂部形成碳帽，碳前驅體通過催化劑的解離后，不斷堆疊形成CNTs，其中，當催化劑與CNTs 之間的作用力強于催化劑與載體之間的作用力時，載體與催化劑分離CNTs 呈現頂端生長；相反則碳帽與催化劑分離CNTs 呈現底端生長。

圖5 碳納米管生長過程[91]Figure 5 Growth process of carbon nanotubes[91](with permission from Chemistry Europe)

3 結論與展望

本文通過對廢塑料催化熱解制備CNTs 過程特性以及碳納米管的生長機理的分析，得出如下結論：塑料種類和熱解溫度對碳納米管的結構具有重要影響，線性碳氫化合物前驅體易生成直的CNTs，而環狀碳氫化合物更易生成彎曲的CNTs；過渡金屬具有較高的碳溶解度，有利于促進CNTs生長，而雙金屬催化劑主要是利用不同金屬的性質不同，通過調控兩種金屬的比例改變催化劑性質，進而調控碳納米管的形成；CNTs 生長機制有頂端生長和底端生長兩種，而具體的生長模式與催化劑種類、結構以及與碳原子間的結合力有著緊密的關系，當催化劑與CNTs 之間的作用力強于催化劑與載體之間的作用力時，載體與催化劑分離CNTs 呈現頂端生長；相反則碳帽與催化劑分離CNTs 呈現底端生長。廢塑料熱解催化制備碳納米管是實現廢塑料高值化利用的主要方法，對于有機固廢負碳利用也有著重要的意義。

然而目前廢塑料熱解制備碳納米管還主要處于實驗室研究，機理的探究與工業化應用還面臨著很大的挑戰。未來工作和展望總結如下：

塑料熱解過程復雜，而現有碳納米管的生長機理大多基于純物質小分子碳源化學氣相沉積，后續應利用單一含碳中間體進行制備碳納米管的實驗并結合模擬分析，探究不同生成物可能存在的生長機理及不同元素對于CNTs 生長的影響，進而探究塑料熱解過程中，熱解生成的揮發分在制備碳納米管過程中可能存在的相互促進或抑制碳納米管生成的作用，從而準確描述塑料基碳納米管的生長機理。

廢塑料熱解催化制備的CNTs 包裹著大量催化劑，使得其后續很難與催化劑進行分離純化，而制約純化的因素主要有CNTs 的生長模式和催化劑載體。活性金屬種類和制備方法是決定CNTs 生長模式的主要因素，而催化劑載體主要選用有利于CNTs 生長的Al2O3、SiO2等難完全溶于酸堿的氧化物，進而加大了CNTs 純化難度。制備高效催化劑，調控CNTs 生長方式和結構，采用易分離催化劑，從而推動廢塑料熱解制備CNTs 的純化和應用。

塑料種類多樣，成分復雜，特別是城市固廢多以混合塑料為主，且含有Cl、Br 等雜質或污染物，對廢塑料的熱解過程以及碳納米管的生長過程都有著重要的影響；原料適應性強、快速高效、清潔的廢塑料熱解催化制備碳納米管工藝思路以及技術裝備的開發至關重要，亟需從技術、經濟以及環境等方面綜合分析，為有機固廢以及廢塑料的高效轉化與高質奠定科學的基礎和理論支撐。