为什么我们要从传统化石能源，转向可再生能源系统？这不仅是科学问题，更是生存问题。近日，第十五期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学光华楼举行。中国科学院院士、复旦大学未来能源高等研究院院长包信和以“催化能源革命：重塑零碳未来的分子基础”为题，为师生揭开了能源变革的底层逻辑。

与国家同频

把个人成长融入能源报国

回顾学术生涯与工作经历，包信和最大的感悟就是“每个人的成长都与国家的发展休戚与共”。因此，个人需要筑牢基础，顺应时代之势，投身国家有重大需求的行业领域，扎实地进行研究工作。而能源方向，就是他深耕数十年的研究领域。

为什么要研究能源？包信和给出了冷峻的数据：我国石油对外依存度高达约73%，天然气达约45%。这意味着，我们的能源饭碗，很大程度上端在别人手里。他指出，构建新型绿色低碳能源体系，不仅是“双碳”目标的需求，更是国家安全的战略底线。

那么，未来绿色低碳能源体系的底层逻辑是什么？在包信和看来，这一体系的底层逻辑是化石燃料驱动转化为可再生电力驱动，基本结构是可再生能源转化为电力、电气化与分子燃料。催化科学追求的目标，正是精准调控化学反应的活性和选择性。凭借在纳米限域催化和合成气制烯烃等限域催化领域的杰出成果，包信和以第一完成人身份荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

催化“挖山”

从“烧煤”到“分子炼煤”

能否让传统化石能源更干净、更省水、更精准，同时为可再生能源争取时间？答案就藏在“催化科学”里。“化学反应像爬一座高山，普通人爬不上去。催化做的事，就是把高山挖成几个矮山头，让反应更容易翻过去。”包信和打了个比方。

他多年研究的“纳米限域催化”，就是这个“挖山”的过程。基于相关原理，团队发明了OXZEO技术，实现了煤基合成气一步制低碳烯烃。传统煤制烯烃走“煤气化—合成气—甲醇—烯烃”的路径，产物分布受ASF统计规律限制，而且高耗水、高耗能。包信和团队的思路是：氧化物组分负责活化一氧化碳和氢气，分子筛组分用规整孔道控制碳链增长。合成气可以一步变成低碳烯烃，绕开ASF天花板，低碳烯烃单程选择性突破80%，甲烷副产可以低于2%，水耗减少60%以上。

包信和描绘的未来能源图景，是一个“电子与分子”共舞的时代。电力将成为主体，但氢气难储运，因此需要将其转化为甲醇、氨等“分子燃料”。他特别强调“先立后破”：先立起可再生能源的“大厦”，再逐步破除对化石能源的依赖。在这个过程中，催化科学不是要立刻“消灭”煤炭，而是要让煤炭的利用方式发生质变——从“烧煤”变成“分子炼煤”。

“催化剂就像一把剪刀。”包信和形象地解释，“我们直接把煤剪成我们需要的化学品，而不是先把它烧成一氧化碳再重组。”甚至，利用高温等离子体，未来可以直接把煤变成乙炔，这个过程理论上不排二氧化碳，也不耗水。

AI能替代科学家吗？

创新仍源于人脑

人工智能时代，面对AI给科学研究带来的挑战，包信和认为，AI虽能快速获取知识，但创新源于人脑对知识的内化与重组。“只有具备扎实的基础知识和领域结构认知，才能有效利用AI进行批判性思考和原创性研究。”此外，AI for Science赋能催化研究也拥有许多新的方向。从基于AI和数据驱动的催化剂精准设计与制备，到AI和大数据融合辅助的结构表征和机理反演，再到AI赋能催化过程开发，“AI+催化”研究的未来可期。

讲座现场，有同学提问：从反应产物来说，氨燃料产出氮气和水，比碳氢化合物更加环保，为何会选择以碳氢化合物为主的路线呢？包信和坦言，常温环境氨为气态，不便运输，作为能源而言并不完备。因此，近阶段占据主要地位的仍然是甲醇。不过他也表示，氨在未来具有很大的发展潜力。“我们最近在做的一件事情，就是把氨直接加工成燃料电池的燃料，从而支持算力中心实现绿电绿算。”

也有同学好奇光催化在能源变革中的前景。包信和现场给大家算了笔能源账：人类所有能源本质上都来自于太阳。如果直接用太阳能分解水，能源效率为1%~2%。但是太阳能转化为电能源效率为20%~30%；再用电来分解水，能源效率为80%。总体而言，把太阳能先转化为电，效率更高。“但是科学是不断进步的，希望有志的青年人可以通过研究推动光催化的发展。”

记者 程媛媛

学校供图