谢在库院士和何鸣元院士团队Joule：绿色能源与化学品的未来——催化路径的理性设计｜Cell Press对话科学家

CellPress：

现在文献中报道了很多催化剂，这些催化剂往往只在某一个或者几个方面有优势，真正可以商业化的材料很少，谢院士在产业界有着丰富的经验，产业界最关注催化剂的哪些性能呢？什么样的材料最具有商业化的潜力呢？

谢在库院士：

文献报道的多数是基础研究的结果，商业化应用则是经过基础研究、应用基础研究、技术发展各阶段，最终趋于成熟后的结果。每一种催化新材料的商业化应用都必须解决从微观到宏观尺度的诸多科学和技术问题，涉及物质与能量转化、传递等复杂过程以及催化剂制备工程系统。从工业应用角度来说，产业界一般关注催化剂的稳定性、时空效率等催化性能，以及工业催化剂的强度、磨耗、颗粒度等。一般而言，工业催化材料应具有催化效率高、选择性好并符合绿色、低碳、循环再生等特点。

CellPress：

催化的概念出现在19世纪，经过一两百年的发展，科学家对催化的认识发生了巨大的变化，特别是纳米技术的发展和表征技术的进步，在这个发展过程中发挥了重要的作用。那么当前催化研究和之前的催化研究有哪些异同，未来催化的发展会有哪些趋势？

谢在库院士：

催化科学与技术的发展史表明，催化可以为资源、环境等问题提供重要解决方案。百余年来，面向能源与化学品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；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，可称之为生态驱动的催化。随着人类社会从工业文明逐步迈向低碳时代，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。

CellPress：

分子识别技术和表征技术的不断进步使得研究者对原油及其馏分的认识达到了分子水平，为什么分子识别这么重要？这为催化反应和工业生产带来了哪些益处？

谢在库院士：

能源加工需要达到分子水平的认识，加工技术则应基于分子水平的认识，根据具体需求确定加工水平的定位。从表征技术发展看，研究者对原油的认知已提升到分子水平。原油分子水平表征技术与方法处于快速发展阶段，但原油加工技术尚未达到真正的分子水平，亟需在重油高效转化、清洁油品生产、化工型炼制等过程中进一步提升原料分子的催化转化效率，为传统石油炼制流程变革、油转化新过程突破提供基础。

CellPress：

近年来，电催化领域发展速度非常快，然而仍然受到电流密度低、生产速度慢、产物需提纯等等问题的困扰。您们对电催化的未来有何期待，还需要多久能在工业上应用？电催化能否替代传统催化过程，还是作为补充技术？

谢在库院士：

展望未来，能源与化学品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与技术基础。水、二氧化碳等是热力学上极为稳定的分子，利用波动性的可再生电力将其转化为载能化学物质是可再生能源转化利用的重要方向，电催化是实现这一过程的核心技术。近年来，可再生电力成本显著降低，增强了电催化的技术经济性和竞争力。期待电催化在大规模制氢、一氧化碳、氨等领域取得突破，其关键是研发高选择性、大电流密度的电催化材料，以及与之匹配、稳定的电池反应系统，从而大幅提高电催化效率和稳定性。

CellPress：

“精准催化”的内涵是什么？为什么要研究“精准催化”，这会为未来催化技术的发展带来哪些进步？

谢在库院士：

催化的核心问题本来就在于“选择性”，“精准催化”的概念源于此，但又有新的扩展。现阶段“精准催化”的内涵还在发展中，其基本内容为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。它是能源与化学品催化的重要发展方向。从微观到宏观角度看，主要包括三个层次的精准，即活性位的精准设计和合成（如单原子催化）、反应路径的精准调控（如片状分子筛对分子扩散的调控）、反应工程可设计可调控（如变径流化床反应器对反应传质过程的调控），也就是基于催化作用本质认识，通过精准的调控方法，实现催化效率和催化选择性的提升。迈向“精准催化”，就必须推动催化路径理性设计，最大化保留反应物官能团，重塑平台化合物，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新过程，进而推动能源与化学品催化变革性技术突破。

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