中石化两位院士Joule观点：精确催化助力化学品绿色能源化

纳米人

2022-07-28

前言

能源与化学品的发展离不开催化的核心作用。百余年来，石油、煤等化石资源通过催化转化为人类所需的燃料和化学品，这一过程体现了原料驱动的催化。未来，为应对资源、环境和气候等新挑战，除了化石原料的高效催化转化外，还需由阳光、水、二氧化碳来生产满足经济社会所需的能源与化学品，体现生态驱动的催化。探索由原料驱动向生态驱动的催化演变历程，有必要聚焦能源与化学品催化路径和系统的理性设计，凝练学术界和工业界未来需共同努力的催化研究方向。在与本文第一作者郑仁垟博士和通讯作者谢在库院士、何鸣元院士交流之后，今天小编帮大家分析一篇最近刚发表在Joule期刊上的绿色能源与化学品催化路径设计的观点文章^[1]，启发学术界和工业界探讨催化路径设计研究策略，为能源、化学、化工等相关领域专家提供研究参考。

内容简介

日前，来自中国石化的谢在库院士、何鸣元院士团队聚焦能源与化学品的催化路径设计，在Joule上发表了题为“The Future of Green Energy and Chemicals: Rational Design of Catalysis Routes”的观点文章。该文在梳理热催化、电催化、光催化研究发展趋势的基础上，凝练了能源与化学品系统和催化路径的变革目标，提出了11项变革性催化路径突破方向，为未来绿色能源与化学品催化研究提供了新视角。

该文首先概括了能源与化学品的发展趋势及催化的作用，指出催化作为能源与化学品的核心技术，其发展动力必将从原料驱动演变到生态驱动。进而，从热催化、电催化、光催化及“精准催化”等四方面梳理了能源与化学品催化的未来。该文展望了催化系统变革及催化路径选择，指出了从基于化石能源的系统Ⅰ向基于化石能源和可再生能源的系统Ⅱ的演化是未来能源与化学品催化的重要特征。需要系统考虑原料、能源、平台化合物和产品，合理设计能源分子、烯烃和芳烃的催化路径和系统，凝练变革性催化路径突破方向。

图文解析：

（一）能源与化学品的发展趋势及催化的作用

图1.  能源与化学品催化的驱动力。

在过去（19世纪），煤炭取代木柴成为主体能源，人类由此进入煤炭时代；从20世纪到现在，石油逐渐成为主体能源和原料，人类由此进入石油与煤炭共存的时代；未来（21世纪中叶及后期），新一轮能源与材料变革兴起，将推动人类社会从工业文明逐步迈向低碳时代。百余年的催化发展主要是由石油、煤等化石原料转化驱动，可称之为原料驱动的催化（图1的蓝色箭头）；未来，除了化石原料的高效催化转化，还将以阳光、水、二氧化碳来生产满足经济社会需要的能源和物质，这可以称为生态驱动的催化（图1的绿色箭头）。能源与化学品催化的动力正呈现由原料驱动向生态驱动发展的必然。

图2.  全球前18大宗化学品的二氧化碳排放量占比。

据统计^[2]，全球前18种大宗化学品的CO2排放约占全球化工行业CO2排放总量的75%以上；其中氨、乙烯、甲醇是CO2排放量前三名，这三者的排放占比已达55%。这说明要想降低化学品生产过程中的排放，需要特别关注烯烃、甲醇、氨等重点化学品及其所需原料对应的工业体系，如石油炼制、石油化工、煤化工等。

（二）能源与化学品催化的未来

聚焦能源与化学品催化的关键挑战和典型进展：（1）持续发展原料驱动的高效热催化新过程，如化工型石油炼制、合成气直接制烯烃、低碳烷烃脱氢制烯烃、塑料循环利用、生物质转化等，进而提出最大化保留官能团的平台化合物设计策略；（2）加快发展高效稳定的电催化过程，如电解水制氢、电催化还原二氧化碳等；（3）设计颠覆性的高效光催化过程，如光催化分解水、光催化C-C键偶联等；（4）迈向“精准催化”， 通过化学键的定向活化转化实现目标产物原子经济性的精准合成。

图3.  最大化保留官能团的催化路径。

在当前的石油化工过程中，首先制备烯烃和芳烃等传统平台化合物，或经氧化/氮化制得化学品/单体，再聚合得到合成材料。同样，煤和一些生物质加工是经过合成气和甲醇等平台化合物，这些平台化合物再通过C-C键偶联和链增长等催化过程进一步制成化学品和合成材料。与之不同的是，未来的平台化合物将通过创建功能催化路径来最大化保留原料中的官能团，其关键是更精准活化特定的C-C/C-O化学键。图3b-d给出了将生物质转化为乙二醇、糠醛和对苯二甲酸等新型平台化合物的进展^[3-5]。生物质转化领域的这些功能催化策略也将启发其他催化路径设计。

图4.  低碳制氢技术路线图。

图中的字体颜色代表三种不同氢碳比的原料，黑色、蓝色和绿色分别表示以煤、石油（烃类）和水为原料的制氢路线。当前，主要为煤气化、烃类重整及电解水路线；期待未来努力突破光催化和生物催化路线^[6]。

图5.提高催化选择性的策略。

多相催化一般经历与反应物、表面反应以及产物相关的复杂反应过程。因此，如之前所聚焦的石油炼制与化工催化反应案例^[7]，合理利用吸附中心、反应中心在时间或空间上的耦合、解耦或限域策略，调控不同途径的扩散能垒、反应能垒，有利于提升催化选择性。如图5b-d给出了通过调整吸附中心提高-不饱和醛加氢选择性、活性中心解耦提高合成气直接制烯烃选择性、强化产物脱附提高乙炔半加氢选择性等途径^[8-10]_。

（三）催化系统的变革和催化路径的选择

图6.能源与化学品催化系统的变革。

能源与化学品催化系统将从基于化石能源的系统Ⅰ逐渐演变到基于化石能源和可再生能源的系统Ⅱ，这种变革主要体现在四个方面：（1）在原料来源方面，除了使用石油、煤和天然气等化石资源外，还将利用生物质、废塑料、二氧化碳和水等其他原料。（2）在能源来源方面，除了由化石资源提供的热量，更多的能源将由太阳能和电能提供。（3）最大化保留反应物官能团的功能催化将重塑平台化合物，推动创制化学键变化最少、反应路径最短、能耗和碳排放最低的催化路径。（4）当前的炼化过程主要生产碳基燃料和化学品，未来来源于可再生资源的甲醇或氨等将兼具能源和物质双重属性。因此，要实现从系统Ⅰ到系统Ⅱ的变革，需要统筹考虑原料来源、能源来源以及技术经济性等问题，重点推进11项变革性的催化技术：

总结与展望：

绿色、低碳和循环将重塑能源与化学品的未来。能源与化学品为人类社会带来了巨大物质财富的同时，也产生了大量的温室气体，极大的影响了生态环境，亟待破解。从能源与化学品催化的百余年发展进程看，吸附位、活性中心、表面催化、纳米催化、限域催化等基本概念和理论推动形成了催化科学，为能源与化学品从高碳到低碳提供了多种解决方案。从催化科学的发展和经济社会的需求看，从原料驱动催化到生态驱动催化的演变将是发展的必然。

作为能源与化学品技术的基础，催化科学拥有广阔的发展空间。展望未来，需重点研究高效热催化、电催化过程，并最终实现光催化，推动从化石能源向可再生能源的演变，为未来能源与化学品工厂奠定科学基础，其中，催化过程的系统集成以及提高效率和选择性的“精确催化”尤为重要。可以预期，这些开创性研究将推进官能团最大化保留、反应和扩散耦合、以及热催化和电/光催化耦合等催化路径理性设计的发展。

文献链接：

作者简介：

通讯作者-谢在库：2017年当选中国科学院院士，2013年为英国皇家化学会会士。现任中国石化副总工程师。在催化领域结合基础研究与应用研究，从获取反应机理新认识出发，聚焦于复杂反应体系中选择催化的实现，研制新型分子筛催化材料进而开发烯烃和芳烃新技术。先后主持两期多孔催化材料973计划项目（首席科学家）。第一完成人获国家科技进步一等奖1项（2017年度）、技术发明二等奖2项、中国专利金奖1项、何梁何利产业创新奖等。

通讯作者-何鸣元：1995年当选中国科学院院士。现任中国石化科技委顾问，华东师范大学化学系教授，博士生导师。长期从事催化材料与炼油化工催化剂研究，发明了一系列沸石合成与改性的新方法并开发出多种炼油催化剂，为发展我国重油裂化技术、提高催化裂化汽油辛烷值、开发新标准汽油生产技术等作出贡献。近年来，致力于绿色化学理论基础研究、应用基础研究及绿色化工工艺和技术的研发，提出了“绿色碳科学”新理念。获国家技术发明二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、中国催化成就奖、中国分子筛终身成就奖、法国国家“棕榈叶骑士”勋章等。

第一作者-郑仁垟：中国石化科技部正高级工程师。从事负载型双金属催化剂应用基础研究，针对石化加氢催化反应需求及催化剂贵金属组分的定向负载难题，研制特定结构的负载型双组分金属催化剂及相关新反应途径。在Joule、Chem、Catalysis Science & Technology等期刊发表了20余篇论文。获闵恩泽青年科技人才奖、侯德榜化工科学技术青年奖等。