月16日，由中國石化主辦的“功勛不朽、薪火永傳”弘揚閔恩澤科學家精神學術論壇在京舉辦。200余位能源化工行業專家學者共聚一堂，深切緬懷閔恩澤院士，繼承和發揚以閔恩澤院士為代表的科學家精神，深入探討了“雙碳”背景下能源化工行業轉型發展之路。本版整理刊發院士專家演講發言中的石化工業前沿技術，敬請關注。

本版文字由本報記者 程 強 整理

高排放石化工業過程的變革性創新

中國科學院院士、中國石化總工程師謝在庫認為，隨著能源深入轉型，化石能源需求逐漸達峰，石油等化石能源用途逐步從“燃料”向“原材料”轉變，高碳排放的石化工業過程需要創制重大變革性新過程。

例如，催化裂化的碳排放很高，它是吸熱反應，反應溫度在480~540攝氏度，而甲醇轉化是放熱反應，反應溫度在400~500攝氏度，將二者耦合，匹配最佳催化劑，這一新過程如果能夠實現將是革命性的，可以大幅減少碳排放。

又如，甲烷是儲量豐富的重要能源，其利用方式通常是加水重整制成合成氣，再進一步轉化成各類化學品和燃料，但碳排放很高。顯然，能直接轉化甲烷當然好，但甲烷分子碳氫鍵能很高，直接催化轉化通常需要高溫等苛刻條件。因此，在溫和條件下實現甲烷選擇活化和直接定向轉化，被看作是催化領域的“圣杯”，是最具挑戰性的化學研究方向之一。利用雙氧水和高效催化劑可以在溫和條件下實現甲烷直接氧化制甲醇，選擇性達到90%以上，可以大幅減排二氧化碳，這一變革性過程非常值得期待。

再如，二氧化碳甲烷重整制合成氣，是典型的放熱反應，如果能夠加一部分氧，放熱和吸熱進行耦合，不僅反應溫度可以從800攝氏度降到600攝氏度，而且可以提高二氧化碳轉化效率，計算能效可提高23%。目前國內外很多團隊都在進行這方面的探索，期待取得更大突破。

新能源領域，綠氫制取是當前和未來的研究熱點。可再生能源電解水制氫方面，堿性電解水制氫技術成熟且已工業大規模應用，但堿液具有腐蝕性，后期運維復雜；質子交換膜電解水制氫技術因貴金屬成本高，商業化水平低；陰離子交換膜電解水制氫技術催化劑成本低，但穩定性有待突破，目前仍處于實驗室階段；固體氧化物電解水制氫技術轉化效率高，但高溫限制材料選擇，目前尚未產業化。綠氫制取未來的方向是光電催化制氫，基于自然光合作用原理，實現高效催化分解，目前太陽能-氫氣（STH）轉換效率最高可達4.3%。

儲氫方案有很多，其中一種是有機化合物儲氫。如甲醇的氫含量為12.5wt%（質量百分含量），十氫萘為7.3wt%，環己烷為7.1wt%，氨氣為17.7wt%，氨基硼烷為19.6wt%。甲醇和氨都是重要的選擇，在這一過程中，良好的熱力學和動力學匹配、設計一種低反應活化能的催化劑成為關鍵。

材料變革方面，新能源材料需求強勁。據預計，“十四五”期間，我國新能源產業將以年均19%的速度增長，新能源行業高端石化材料需求規模近300萬噸，涉及約50種產品，消費量排名前十的產品增量空間均在10萬噸以上，動力電池材料是最大消費領域，氫能材料消費增速最快，“十四五”期間年均達70%以上，而我國新能源高端石化材料自給率僅60%~70%。

高端石化材料大量是高分子材料，要根據市場對材料性能的需求，基于結構與性能的科學認識，合理設計碳基結構，綠色合成關鍵單體，通過可控聚合、良好加工，生產出滿足市場需要的高分子材料。這就涉及分子鏈結構調控的問題，目前研究的熱點之一是茂金屬催化劑。比如生產聚烯烴彈性體（POE）、超高分子量聚乙烯（UHMEPE）等，茂金屬催化劑的研制都是重點難點。

分離工業的碳排放也很高，需要研究先進的節能分離材料。如膜分離的關鍵科學問題是通量與選擇性相互限制，難以同時提高，而金屬-有機骨架材料（MOF）具有比表面積高、孔徑可調性和結構可設計性強等優勢，被認為是極具潛力的新型吸附與膜分離材料。

智能變革方面，新材料自主發現合成系統（無人實驗室）是一個重要方向。美國勞倫斯伯克利國家實驗室與谷歌DeepMind團隊合作開發自主實驗室系統A-Lab，由人工智能指導機器人制造新材料，在17天里連續開展355次實驗，合成了58個目標化合物中的41個，成功率達到71%，遠高于人工實驗的成功率。中國石化通過理論計算、高通量實驗與大數據分析相結合，發現了新結構分子篩，實現國內工業企業零的突破。此外，將機器學習與高通量技術耦合，可以發展數據驅動的催化劑描述符建立方法。工業化與信息化深度融合建立石化智能工廠，可以實現從人全盤控制到人不在現場的完全自主運行。

單原子催化“少花錢干大事”

人類活動中大約90%的化學品生產過程與催化有關。催化過程是吸附-反應-脫附過程，也就是說，催化劑要先把反應物“吸引”到表面進行反應，然后把得到的反應物“拋棄”。

所以，為了“少花錢干大事”，有必要在保持催化劑總量不變的前提下增加催化劑表面積，這就需要將催化劑“切割”到微米甚至納米級，“切割”到極限，催化材料就以單個原子的形式分散于另一種材料上。

單原子催化劑，就是將單個金屬原子錨定在載體上的材料，單原子只和載體相互作用，金屬原子之間沒有鍵。由于擁有最大限度的原子利用率，單原子催化劑在多相催化反應中表現出優異的性能。

自中國科學院院士、發展中國家科學院院士、加拿大工程院國際院士張濤院士團隊于2011年設計制備了第一個單原子催化劑并提出了“單原子催化”概念后，成為全球研究的熱點。

到目前為止，元素周期表里超過50%的元素都有單原子催化劑的報道，從貴金屬到過渡金屬，再到主族金屬、非主族金屬、非金屬、稀土等。

據統計，單原子催化在30個以上的反應里顯示出優越的活性和選擇性。不僅化學領域，材料、物理甚至生命科學領域也借用單原子催化的概念。

單原子催化比較難的反應有甲烷的轉化、水的轉化、二氧化碳的轉化和氮的轉化等，特別是二氧化碳的轉化是近期研究的熱點，有熱、電、光等不同的轉化方法。

在二氧化碳熱催化中，包括釕、銠、鉑、銅、鎳、鈷等元素有獨特的活性和選擇性，如銅的單原子催化劑比納米催化劑活性更強，銠則對碳碳偶聯反應非常有效。目前，單原子催化在高溫嚴苛條件下的轉化率特別是穩定性仍然是較大挑戰。

在二氧化碳電催化中，金屬單原子催化劑有錳、鐵、鈷、鎳等不同體系。一氧化碳可以作為主要產物，一些金屬特別是銅對于碳碳偶聯生成碳2以上化合物非常有效。近期，兩個單原子催化劑合起來的雙原子催化劑在一些特定的二氧化碳轉化反應里表現較好。

在二氧化碳光催化中，單原子催化可以優化電子能帶，促進二氧化碳活化，精確調控二氧化碳轉化中間物的吸附，從而獲得較好的選擇性。單原子催化劑還可以和其他元素組成多功能的催化劑，對催化的反應性和轉化率進行調控。

二氧化碳轉化最大的挑戰就是如何設計好的催化劑，能夠在低溫下、在高的化學平衡轉化率條件下獲得高的二氧化碳反應性。二氧化碳轉化的另一挑戰是如何獲得比較好的選擇性，二氧化碳轉化到碳1，生成一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸比較容易；到了碳碳偶聯，通過深度加氫生成乙烯、乙烷，這個反應就難一些；更進一步，可以通過碳碳偶聯、部分加氫，生成高附加值的含氧化合物，如乙醇。因此，通過設計調控催化劑，可以獲得不同的反應產物。

單原子催化劑可以融合酶催化和均相催化，實現單原子催化在不同反應里的調控，繼而實現碳碳偶聯。在二氧化碳加氫生成水和一氧化碳的反應中，過去納米催化時，認為反應在金屬和界面發生，而利用單原子催化，明顯的界面沒有了，其實是無限的界面，每一個單原子和載體接觸非常充分，非常有利于二氧化碳活化。

利用單原子催化劑和特殊載體的相互協同，可以實現碳碳偶聯。第一步通過載體活化二氧化碳，生成碳1化合物；第二步，利用單原子活性位實現碳碳偶聯。

近期也有單原子催化和納米催化協同反應的案例，對二氧化碳活化非常有效。二氧化碳在電催化條件下，通過單原子催化劑和納米催化劑協同作用，實現生成高選擇性乙醇的反應結果。

單原子催化經過10多年發展，帶來很多機會，也面臨很多挑戰，如單原子催化劑的可控制備、表征方法、在高溫下保持較好的催化活性和轉化率等。

張濤說，單原子催化使得催化研究進入原子尺度，還使得傳統催化的分散度、表界面等概念部分失效。其描述符是它的微環境及化學狀態，單原子配位環境決定了單原子的活性、穩定性和選擇性，這是今后研究的重點。

人類社會迎來原子制造時代

中國工程院院士，中國工程院黨組成員、秘書長陳建峰說，在現代化產業體系建設中，化學工業是傳統產業的支柱，面臨綠色發展的挑戰，同時還要解決“卡脖子”問題，為戰略新興產業和未來產業不斷提供新的物質、新的能源、新的材料。

人類社會將進入原子制造時代。美國國防部高級研究計劃局于2015年底啟動“原子到產品”項目，目標是解決納米材料制造的工程放大問題。

原子排序不同就有不同功能，碳原子多層排序就是石墨，剝離成一層就是石墨烯，把一層卷起來就是碳納米管，按足球形狀排序就是碳60，按六方體排序就是金剛石，石墨很軟可以用來做鉛筆芯，而金剛石硬到可以切割鋼鐵。工廠如何控制原子的排序，正是需要努力的方向。目前高分子材料的“卡脖子”難題就是高分子鏈的排序組合等，不同的結構決定了不同的功能。

分子化學工程是從原子/分子到工廠產品的過程。目前，對工業容器尺度的化學過程科學認識較為清楚，而對微納尺度到分子尺度下的化學過程，包括流動混合、界面傳遞、反應/分離等認識都不是很清晰，這個問題不解決，將阻礙化學工業的發展。

未來的化學工業，將是原子、分子智能組合，形成智能的反應與分離系統，從而實現原子、分子尺度物質的精準控制。

分子化學工程學，就是在工業容器尺度（反應器/分離器）上，實現物質原子/分子尺度的化學轉化和物理分離精準可控的過程科學與技術。它是從分子到工廠的橋梁，可以設計數字孿生工廠，理想目標是過程可以無級放大，實現安全、高效、綠色制造。

這個方向已經成為可能。國內已經可以對催化反應中的原子、分子進行靜態觀察。我國科學家構建納米芯片反應器和世界領先的原位電化學顯微系統，首次從原子分子尺度認知和解析電化學界面反應過程，由此發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制，入選2023年中國科學十大進展。

還可以借助人工智能，實現機器人全自動操作的原子/分子制造。麻省理工學院就由人工智能軟件提出合成分子的途徑，再由化學家審查這條路線并將其細化為化學“配方”，最后將配方發送到機器人平臺，自動組裝硬件并執行反應構建分子。

化學工程經過百余年發展，已經從宏觀的“三轉一反”（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞、化學反應）發展到現在的微納尺度，今后將邁向分子尺度、原子尺度，分子化學工程時代即將到來，但要解決一些重大問題：分子層面的分子結構設計理論與智慧反應調控，微納層面的納米傳輸、反應/分離、分子結構的關系論，裝備層面的工程放大，工廠層面實現分子智造的數字化設計與優化控制。

化學工業的主要問題是工程放大，往往出現選擇性下降、轉化率下降的問題，其核心是在分子尺度的傳遞混合沒有做好，難題是如何在毫秒~秒量級內實現分子級的混合均勻。陳建峰團隊研究發現在超重力環境下微納尺度混合可以被強化2~3個數量級，因此研發了超重力裝備，在工廠中應用，體積是常規填料塔的1/10，效率可以提高千倍。

超高純電子化學品是集成電路制造中用量最大的原材料之一，是大國貿易的“撒手锏”，但“卡脖子”問題突出，其最大難題就是雜質離子含量須從ppm（百萬分之一）級降至ppt（萬億分之一）級。超重力氧化反應分離器耦合強化技術解決了這一問題，打破了國外技術壟斷，產品出口至美、日、韓等國。

超重力技術用于亞硝酰硫酸生產，將3條生產線12臺反應器變成1條生產線1臺反應器，體積縮小90%以上，能耗節省45%，二氧化碳排放降低75%，人員減少近一半，占地面積減少一半，本質安全水平顯著提升。

超重力技術用于二氧化碳捕集，使捕集能耗降至2.1吉焦/噸二氧化碳以內，同時將二氧化碳用于新疆地區農業，平均提高農作物產量20%~40%，還可改良鹽堿地、沙地，實現負碳綠色、鹽堿地改良、作物增產的多贏。

超重力法生產納米農藥，能夠減少原料使用量50%，減少農藥用量50%。

超重力法制備液冷化學品，革新了數據中心散熱傳統的風冷技術，使傳熱效率提高6倍、算力提高4倍。