前言
能源與化學品的發(fā)展離不開催化的核心作用。百余年來，石油、煤等化石資源通過催化轉化為人類所需的燃料和化學品，這一過程體現(xiàn)了原料驅動的催化。未來，為應對資源、環(huán)境和氣候等新挑戰(zhàn)，除了化石原料的高效催化轉化外，還需由陽光、水、二氧化碳來生產滿足經濟社會所需的能源與化學品，體現(xiàn)生態(tài)驅動的催化。探索由原料驅動向生態(tài)驅動的催化演變歷程，有必要聚焦能源與化學品催化路徑和系統(tǒng)的理性設計，凝練學術界和工業(yè)界未來需共同努力的催化研究方向。在與本文第一作者鄭仁垟博士和通訊作者謝在庫院士、何鳴元院士交流之后，今天小編幫大家分析一篇最近剛發(fā)表在Joule期刊上的綠色能源與化學品催化路徑設計的觀點文章[1]，啟發(fā)學術界和工業(yè)界探討催化路徑設計研究策略，為能源、化學、化工等相關領域專家提供研究參考。
內容簡介
日前，來自中國石化的謝在庫院士、何鳴元院士團隊聚焦能源與化學品的催化路徑設計，在Joule上發(fā)表了題為“The Future of Green Energy and Chemicals: Rational Design of Catalysis Routes”的觀點文章。該文在梳理熱催化、電催化、光催化研究發(fā)展趨勢的基礎上，凝練了能源與化學品系統(tǒng)和催化路徑的變革目標，提出了11項變革性催化路徑突破方向，為未來綠色能源與化學品催化研究提供了新視角。
該文首先概括了能源與化學品的發(fā)展趨勢及催化的作用，指出催化作為能源與化學品的核心技術，其發(fā)展動力必將從原料驅動演變到生態(tài)驅動。進而，從熱催化、電催化、光催化及“精準催化”等四方面梳理了能源與化學品催化的未來。該文展望了催化系統(tǒng)變革及催化路徑選擇，指出了從基于化石能源的系統(tǒng)Ⅰ向基于化石能源和可再生能源的系統(tǒng)Ⅱ的演化是未來能源與化學品催化的重要特征。需要系統(tǒng)考慮原料、能源、平臺化合物和產品，合理設計能源分子、烯烴和芳烴的催化路徑和系統(tǒng)，凝練變革性催化路徑突破方向。
圖文解析：
（一）能源與化學品的發(fā)展趨勢及催化的作用
圖1. 能源與化學品催化的驅動力。
在過去（19世紀），煤炭取代木柴成為主體能源，人類由此進入煤炭時代；從20世紀到現(xiàn)在，石油逐漸成為主體能源和原料，人類由此進入石油與煤炭共存的時代；未來（21世紀中葉及后期），新一輪能源與材料變革興起，將推動人類社會從工業(yè)文明逐步邁向低碳時代。百余年的催化發(fā)展主要是由石油、煤等化石原料轉化驅動，可稱之為原料驅動的催化（圖1的藍色箭頭）；未來，除了化石原料的高效催化轉化，還將以陽光、水、二氧化碳來生產滿足經濟社會需要的能源和物質，這可以稱為生態(tài)驅動的催化（圖1的綠色箭頭）。能源與化學品催化的動力正呈現(xiàn)由原料驅動向生態(tài)驅動發(fā)展的必然。
圖2. 全球前18大宗化學品的二氧化碳排放量占比。
據(jù)統(tǒng)計[2]，全球前18種大宗化學品的CO2排放約占全球化工行業(yè)CO2排放總量的75%以上；其中氨、乙烯、甲醇是CO2排放量前三名，這三者的排放占比已達55%。這說明要想降低化學品生產過程中的排放，需要特別關注烯烴、甲醇、氨等重點化學品及其所需原料對應的工業(yè)體系，如石油煉制、石油化工、煤化工等。
（二）能源與化學品催化的未來
聚焦能源與化學品催化的關鍵挑戰(zhàn)和典型進展：（1）持續(xù)發(fā)展原料驅動的高效熱催化新過程，如化工型石油煉制、合成氣直接制烯烴、低碳烷烴脫氫制烯烴、塑料循環(huán)利用、生物質轉化等，進而提出最大化保留官能團的平臺化合物設計策略；（2）加快發(fā)展高效穩(wěn)定的電催化過程，如電解水制氫、電催化還原二氧化碳等；（3）設計顛覆性的高效光催化過程，如光催化分解水、光催化C-C鍵偶聯(lián)等；（4）邁向“精準催化”， 通過化學鍵的定向活化轉化實現(xiàn)目標產物原子經濟性的精準合成。
圖3. 最大化保留官能團的催化路徑。
在當前的石油化工過程中，首先制備烯烴和芳烴等傳統(tǒng)平臺化合物，或經氧化/氮化制得化學品/單體，再聚合得到合成材料。同樣，煤和一些生物質加工是經過合成氣和甲醇等平臺化合物，這些平臺化合物再通過C-C鍵偶聯(lián)和鏈增長等催化過程進一步制成化學品和合成材料。與之不同的是，未來的平臺化合物將通過創(chuàng)建功能催化路徑來最大化保留原料中的官能團，其關鍵是更精準活化特定的C-C/C-O化學鍵。圖3b-d給出了將生物質轉化為乙二醇、糠醛和對苯二甲酸等新型平臺化合物的進展[3-5]。生物質轉化領域的這些功能催化策略也將啟發(fā)其他催化路徑設計。
圖4. 低碳制氫技術路線圖。
圖中的字體顏色代表三種不同氫碳比的原料，黑色、藍色和綠色分別表示以煤、石油（烴類）和水為原料的制氫路線。當前，主要為煤氣化、烴類重整及電解水路線；期待未來努力突破光催化和生物催化路線[6]。
圖5.提高催化選擇性的策略。
多相催化一般經歷與反應物、表面反應以及產物相關的復雜反應過程。因此，如之前所聚焦的石油煉制與化工催化反應案例[7]，合理利用吸附中心、反應中心在時間或空間上的耦合、解耦或限域策略，調控不同途徑的擴散能壘、反應能壘，有利于提升催化選擇性。如圖5b-d給出了通過調整吸附中心提高???-不飽和醛加氫選擇性、活性中心解耦提高合成氣直接制烯烴選擇性、強化產物脫附提高乙炔半加氫選擇性等途徑[8-10]。
（三）催化系統(tǒng)的變革和催化路徑的選擇
圖6.能源與化學品催化系統(tǒng)的變革。
能源與化學品催化系統(tǒng)將從基于化石能源的系統(tǒng)Ⅰ逐漸演變到基于化石能源和可再生能源的系統(tǒng)Ⅱ，這種變革主要體現(xiàn)在四個方面：（1）在原料來源方面，除了使用石油、煤和天然氣等化石資源外，還將利用生物質、廢塑料、二氧化碳和水等其他原料。（2）在能源來源方面，除了由化石資源提供的熱量，更多的能源將由太陽能和電能提供。（3）最大化保留反應物官能團的功能催化將重塑平臺化合物，推動創(chuàng)制化學鍵變化最少、反應路徑最短、能耗和碳排放最低的催化路徑。（4）當前的煉化過程主要生產碳基燃料和化學品，未來來源于可再生資源的甲醇或氨等將兼具能源和物質雙重屬性。因此，要實現(xiàn)從系統(tǒng)Ⅰ到系統(tǒng)Ⅱ的變革，需要統(tǒng)籌考慮原料來源、能源來源以及技術經濟性等問題，重點推進11項變革性的催化技術：
總結與展望：
綠色、低碳和循環(huán)將重塑能源與化學品的未來。能源與化學品為人類社會帶來了巨大物質財富的同時，也產生了大量的溫室氣體，極大的影響了生態(tài)環(huán)境，亟待破解。從能源與化學品催化的百余年發(fā)展進程看，吸附位、活性中心、表面催化、納米催化、限域催化等基本概念和理論推動形成了催化科學，為能源與化學品從高碳到低碳提供了多種解決方案。從催化科學的發(fā)展和經濟社會的需求看，從原料驅動催化到生態(tài)驅動催化的演變將是發(fā)展的必然。
作為能源與化學品技術的基礎，催化科學擁有廣闊的發(fā)展空間。展望未來，需重點研究高效熱催化、電催化過程，并最終實現(xiàn)光催化，推動從化石能源向可再生能源的演變，為未來能源與化學品工廠奠定科學基礎，其中，催化過程的系統(tǒng)集成以及提高效率和選擇性的“精確催化”尤為重要?？梢灶A期，這些開創(chuàng)性研究將推進官能團最大化保留、反應和擴散耦合、以及熱催化和電/光催化耦合等催化路徑理性設計的發(fā)展。
文獻鏈接：
作者簡介：
通訊作者-謝在庫：2017年當選中國科學院院士，2013年為英國皇家化學會會士。現(xiàn)任中國石化副總工程師。在催化領域結合基礎研究與應用研究，從獲取反應機理新認識出發(fā)，聚焦于復雜反應體系中選擇催化的實現(xiàn)，研制新型分子篩催化材料進而開發(fā)烯烴和芳烴新技術。先后主持兩期多孔催化材料973計劃項目（首席科學家）。第一完成人獲國家科技進步一等獎1項（2017年度）、技術發(fā)明二等獎2項、中國專利金獎1項、何梁何利產業(yè)創(chuàng)新獎等。
通訊作者-何鳴元：1995年當選中國科學院院士?，F(xiàn)任中國石化科技委顧問，華東師范大學化學系教授，博士生導師。長期從事催化材料與煉油化工催化劑研究，發(fā)明了一系列沸石合成與改性的新方法并開發(fā)出多種煉油催化劑，為發(fā)展我國重油裂化技術、提高催化裂化汽油辛烷值、開發(fā)新標準汽油生產技術等作出貢獻。近年來，致力于綠色化學理論基礎研究、應用基礎研究及綠色化工工藝和技術的研發(fā)，提出了“綠色碳科學”新理念。獲國家技術發(fā)明二等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、中國催化成就獎、中國分子篩終身成就獎、法國國家“棕櫚葉騎士”勛章等。
第一作者-鄭仁垟：中國石化科技部正高級工程師。從事負載型雙金屬催化劑應用基礎研究，針對石化加氫催化反應需求及催化劑貴金屬組分的定向負載難題，研制特定結構的負載型雙組分金屬催化劑及相關新反應途徑。在Joule、Chem、Catalysis Science & Technology等期刊發(fā)表了20余篇論文。獲閔恩澤青年科技人才獎、侯德榜化工科學技術青年獎等。
