作者的话：
这一篇个人体会的雏形来自于几年前在上海科技大学的研究生课程《现代催化研究方法-从原理到实践》。对于一个从博士学习阶段才开始自学催化，才知道”马弗炉”的所谓“半路出家”，只有通过“留级”才能完成毕业论文的人来说，要独立完成这门课程的教学是蛮费劲的；因为当时正在和壳牌能源公司合作交流，于是乎顺手牵羊般将能源作为讲解催化课程的切入点。似乎合理的说法是催化过程的原料或者产品追根溯源还是与能源有密切的关系。事实上，作者深知自己的理论水准，如果真的从Thomas-Thomas的《Principleand Practice of Heterogeneous Catalysis》开始系统讲授的话，其中很多知识点超出作者的理解水平（现在也超出！）。当时这样来做是一种权宜之计，但是现在再读这篇文献《The greening and cleaning of China-low-carbon pathways for the world’s largest energy consumer》，其中涉及的内容似乎还有些参考价值。因为有时候，当我们沉醉于科研细节和因果关系的挖掘时，往往会忽略了工作本身在大的框架下的意义。现在本人又“自弃”于国内主流学术圈，不太有机会回到讲台，因此，通过“研之成理”的平台来进行一些分享，以期抛砖引玉。行文中肯定有充满个人理解的片面和不当之处，欢迎大家“拍砖破玉”，毕竟质疑是有价值的。
引言：
社会，能源和环境之间的博弈问题是当今中国面临的大问题。简言之，就是作为社会中“衣食住行劳”等基本行为与“热电油气化”作为其表现形式的能源和“三废控制”为基本要素的环境保护之间如何在时空中和谐发展的问题。能源从以“烧”为主逐渐向“能源转化”演进，也直接体现了社会对于能源的需求和对于环境的要求的改变，这种能源结构的改变有时候会因为能源系统本身的脆弱性而带来痛苦。譬如，“煤改气”和“煤改电”工程，以及2017年底的穹顶之下缺气少热的“凛冬将至”就是例证。案头恰好有国家发改委和壳牌能源公司专家合作的《The greening and cleaning of China-low-carbon pathways for the world’s largest energy consumer》，其中阐述了中国当前社会的能源结构（2009）以及对未来能源结构的预测（2050）。我们在阅读文献时总会自然地思考这篇文章的思路对我们有什么用——对本人则引申到对催化研究方向的思考；当然这些思考的系统性和深度与国内外催化学科发展Roadmap或者蓝皮书无法相比。读者可以在网络上找到相关的资料进行对比，从而获得属于自己的思考，这样这篇体会的目的也就达到了。
1.社会发展和能源消耗关系
中国的人口基数既是发展动力也是限制因素。人口数目的大小很大程度上决定了能源的需求数量，而且随着社会的富裕程度增加，对能源的需求也会不断增加。如图1所示，研究发现，如果将人均GDP和人均能源消耗两者关联，则存在正向趋势但是又不是完全线性的关系。国家总体的希望就是随着人均GDP的增加和社会逐渐转型，人均国内生产总值的能源消耗，特别是对于化石资源例如煤炭，石油和天然气的消耗能够被逐渐降下来。这样，整个国家的能源消耗能够处于稳定可控而不是持续线性增长的状态，最终实现中国可持续发展。这就需要中国从整体工业化和满足基本需求的阶段提升到以高附加值产品生产，消费方式选择和服务为主的阶段。这类似于催化剂开发过程中首先考虑活性这个满足“基本温饱”的问题，再考虑“选择性”的这个满足“改善型需求”的问题。也有研究者（见图2）归纳了幸福指数（人类发展指数）和电力消耗之间的关系，结果发现，人均耗电量高的的幸福指数也高。从这个角度来说，如果对于每个省或者区域的发展采用人均GDP能源消耗作为评价指标似乎更为合理。
图1 人均GDP（横坐标）和能源消耗（纵坐标）关系（from Energy and Economy）
图2 不同国家的幸福指数和电力消耗的关系。(来自丹麦科大 Ib Chorkendorff讲座PPT)
2. 能源结构演化的预测
能源在各社会领域的消费比例是社会发展的一个指标。在 “热电油气化”中，供热和电力属于能源中的温饱型需求，而天然气，油（汽油煤油柴油）以及丰富的化学品则大体上可认为属于改善型的需求。随着社会的发展，不仅人均能源消耗强度会增加，而且对于气油化三者的需求会增加。图3（上中下）就展示了中国2009年能源结构现状和2050年能源结构的预测，对能源消费也进行了分类，归结为工业生产，建筑，交通和化学品；并且对按照国内能源自身供应量的基本发展模式以及低碳发展模式两种方式预测了2050年的情形(分别为图3中和图3下，实际情形估计将处于两者之间）；文献中也指出，只有到2030年后基础情形和低碳情形的差别才会显现出来。这张图的信息量很大，本人有以下几点感想：
能源多样化供应格局
中国能源结构无论怎么样演化，多种能源供应这个格局不会变化，单一的能源供应满足不了我们国内发展的需求，其原因就在于地广人众这个基本国情，而且中国目前还处于能源变革期，对能源相关的技术需求很多。这对研究者来说既是机会也有挑战。
电力需求会随着社会发展逐步增加
电力需求中来自核能和可再生能源的部分必不可少，否则只能以不断增加煤的使用量来获得足够量的电。电是能源中占比最大的部分，通俗地说，离开了电谈能源问题属于“捡了芝麻，丢了西瓜”。现有发电技术中无需催化剂（当然，环保催化剂在火力电厂尾气处理中还是大有用武之地），而电动车的发展又给催化研究者带来了机会。但是电力直接用于个人交通占比不算大，属于补充。
终端消费的需求在变化
工业生产消耗的能源从57.6%减低到46.1（基本）-44.1%（低碳）之间，建筑上的能源消耗比例基本不变：24-22.5%之间，交通方面的能耗将有显著增加,占比从13.8%增加到20.4-21.2%之间，而化学品的比例将有所增加,从占比6.2%增加到9.5-12.3%之间。如果不自己大力发展化学品的生产技术，大量的化学品就必须进口。中国油品和化学品的需求增加的确是社会发展的需求，催化工作者在这个方面大有用武之地。
能源和CO2排放问题
从消费终端而言，能源消耗的绝对数量随着社会的发展而增加，但是尽管电力需求增加了近一倍，哪怕是在基本模式情形中，CO2排放并没有线性增加。这是核能和可再生能源在发电中有较大贡献之故，天然气也是“有功之臣”。而在低碳情形中，CO2排放大大降低，主要是因为化石燃料的使用量的降低，作者甚至预测在交通领域氢气的使用占50%之强，（这一点笔者有点不太认同）。当前，中国每年CO2的排放达到了近100亿吨，CO2减排之路主要还是需要依靠提高国家能源利用效率，也就是降低前面说的单位GDP的能耗来实现（产业转型和升级），而不是将排放出来的CO2转化，因为要把这些CO2通过化学转化（典型的如：二氧化碳加氢）加以利用以达到减排的目的，有点杯水车薪的感觉（这个方向的实际困难我们后面可以再稍微详细讨论一下）。
煤化工的发展问题
煤化工是比较有中国特色的产业。在基本模式情形中，出现了数量巨大的煤制燃料（燃料可以是甲醇，乙醇，也可以是汽油柴油，而在低碳模式中则出现了煤制氢过程。从图3中明显可以看到，相比于交通所需的油品，煤制化学品生产需要的能源占比其实不大。经常有专家说当前煤制气，煤制油和煤制烯烃过程的CO2排放量大，其实所有这些过程总的煤的使用量并不大，和中国整体的煤炭消耗量相比(2014年数据，煤化工消费量0.23亿吨，占比0.57%，煤整体消费量约为35亿吨以上)，与发电炼焦水泥这些主流领域排放的CO2而言，只能算是小菜一碟。其实只要把煤从地下开采出来，最终基本上都变成CO2，所以如何提高煤炭的利用效率才是更关键的问题。
图3 中国的能源格局与终端使用
（最上图，2009；中间图，2050基本情形；最下图，2050低碳模式）
来自Kejun Jiang, Alexander van der Made, The greening and cleaning of China-Low-Carbon pathways for the world’s largest energy consumer, 来自Shell的The Colours of Energy, EJ=1018 J，点击阅读原文可下载。
天然气转化的问题
从减低CO2排放的角度，天然气的使用是有利的，但是在中国现在的问题是从何处得到足够量的天然气。对于这方面，我们可以从最近的页岩气革命出发引申一下。随着美国页岩气革命的爆发，天然气的价格原本与石油具有的一致性在2008年后分道扬镳，一直处于低位徘徊，见图4a。但是在中国天然气的价格不低，大家通过家里的天然气账单就可以了解。图4b是某报道称中国有大量的页岩气，所以中国天然气的储量一下大大提升了。现在看来是噱头，糖衣炮弹成分多。在中国，现在天然气的主要用途是提供工业和居民需求，主要还是“烧”，而不是转化。通俗一点，当煤制气都需要存在的时候，天然气的转化就不会作为一个重要发展方向，而且到目前为止，天然气在催化领域最成熟的还是天然气重整制合成气的技术，而这个过程与天然气的成本非常相关。
另外，天然气的供应具有很强的季节性问题（这次气荒也是季节性问题），因此，如何在夏季利用好多余的天然气或者说合成气也是一个现实的问题。本来天然气在夏季发电，冬季采暖是很好的方案，但是我国现在还没有掌握其中的燃气轮机技术（核心技术！！！），只能望“气”兴叹！
图4 天然气与石油价格十年趋势(a)和天然气潜在储量(b)
可再生能源与核能
发展多种新能源，包含可再生能源和核能可以满足局部地区的能源增长需求。中国可再生能源发电总量处于世界的前列，见图5，这与我们未来的能源结构发展相符。但可再生能源的一个弱点就是不稳定性，若“天不刮风天不下雨天上无太阳”其供应就会受到限制。等可再生能源真的大行其道时，能提供稳定阳光的沙漠那时候就可能成了香馍馍！在可再生能源的领域，电的储存技术的发展对于某些区域还是很有必要的。
因为日本福岛核电站泄漏事件，全世界其他国家核电计划都不同程度削减，甚至设立了关停时间表。但是中国还是从自身实际出发，在不断投资核电，这是中国做出的明智的选择，核电还将进一步推进，核电比例还将进一步上升。德国关停了核电站的代价是煤炭消耗增加；最近日本也已经重启核电站；最近看到小型核堆在美国有了新的资助，这是个具有很大应用潜力的技术。核能将是中国能源结构可持续发展的重要组成部分，需要大力发展。
图5 可再生能源的产量的世界排位（from Nature）
3.催化过程研究方向的思考
从以上的分析看，催化过程在能源领域主要体现在油品和化学品生产上，废气处理过程和电催化相关领域上（如电动车和燃料电池,但其中的比例是仁者见仁智者见智）。在2008年美国能源部出版了一本“课题指引”《Catalysisfor Energy》，在其前言中谈到相关的研讨会是在2007年召开的。如果对照图3a，可以看到那时候石油的价格处于高位，甚至那时候有报道说石油价格将冲向200美金/桶（中国股市会冲万点！），因而能源将短缺的观点成为当时的主流，书中也以如何获得更多的能源为主线，转化更多的能源成为书中讨论的方向，列举如下：
1. 重油（页岩油，油砂等）的清洁转化
2. 合成气转化为化学品（汽柴油）
3. 生物质转化
4. 光化学和电化学方法转化CO2和H2O
现在回头看报告过后这十年的研究，生物质转化和光电化学转化的论文的确是汗牛充栋，合成气转化也算是复兴了一阵，而重油转化部分的研究则是以产业界为主（一个可能的原因是重油炼化过程的研究条件苛刻，成分复杂，不容易得到普适的规律，只能靠老老实实的实验研究，这其实本是化学（CHEM IS TRY）的一个真谛）；另外，近十年来，CO2的化学转化也随着“甲醇”经济的概念进行了深入研究。
但是石油价格对于研发方向来说影响实在不小：一旦石油价格回落，很多新研发方向的经济性就立刻受到挑战。合成气转化的产品直接和石油产品竞争的，比如费托合成的经济性很大程度上受制于石油价格（从能源安全角度来看则是另外一回事）；生物质转化也是同样，热化学转化的生物燃料的真正应用还需时日，技术性和经济性都还存在问题，因此有人发表评论说，可再生能源的大力研究需要“感谢”高涨的石油价格。近十年来，CO2和水电解的研究是热点中的热点，新奇结构层出不穷，但是如前面图3中，用电来生产化学品的比例在能源中不大，不会是主流，在特定市场才有应用（不知道这是不是美国又挖的一个坑？）。
理论指导或者是情景预测与社会的实际需求情况往往还是有很大差别的，预测很多时候是有风险的，，但是我们乐此不疲。以下是笔者从实际应用角度针对当前一些研究方向的评论以及个人的想法，但是提醒读者——所谓文献有风险，阅读需谨慎。
1. 合作研究
作为基础研究方面，即包含催化领域内各个制备-表征-性能的合作，这部分其实在中国目前已经做得很有经验，因为没有DFT，没有光源等先进原位表征，没有球差电镜，没有新奇的合成结构，对于过程的理解的深度就上不去（也很难发表高水平论文，也影响职称，也影响项目申请，我们的幸福和痛苦很大部分都来自于论文和项目申请!），但是我们要清醒的认识到：在利用这些工具时，我们所研究的体系是简单的，典型的如CO氧化，稍微复杂一点的体系DFT就很难说清楚；我们制备的催化剂是研究型催化剂：结构可控性很好，粉末为主，而且大多都不会完成100g以上的制备；哪怕是原位条件下的表征与实际反应过程（例如高温高压，液相环境）可能还是有差别，而且我们也看到现在催化的研究论文中，我们不注重工具“器”的开发。
但是从工业界的角度，过程的经济性则是首先要考虑的：一个新的催化过程的工业化，从科学到技术，到工程到市场都是必不可少的，所以催化化学和化工（特别是反应工程）的合作其实很重要，因为化工学科对技术，工程和市场这几块的知识更深入（简言之，化学管微观，化工管宏观）。这在中国现阶段是个大问题，评价机制也罢，资助方向也罢都使得化工现在变成从属地位，一个典型的现象就是现在深入研究催化动力学和反应器的人事凤毛麟角，因为这方面的研究有时是“有点吃力不讨好”的感觉；其实在啃高科技产品这块硬骨头的时候没有很多方法，就是曾国藩所说的“打呆仗”，金庸小说里面绝顶高手的“重拙大”而不是玩新奇概念和结构。
被大家（不是全部）诟病的国家的科研资金资助的效率低很多时候体现在项目组织上: 项目应集中在一个Topic纵向推进，譬如说合成气转化制甲醇（现在大型的MTO过程的甲醇催化剂和反应器基本上还是进口的），应当从催化剂开发和放大，反应器的选型和流体分布，中试反应器的工程设计和实施，过程设计（原料除杂，产品分离提纯），过程经济性等方面来设计项目，使得项目向纵深发展。但是遗憾的是，现在国家的重大研发项目中很多时候倾向于横向设计课题，业内美其名曰“切蛋糕”，例如一个项目对五个新催化过程平行布置（譬如针对合成气转化这个主题，课题可以是合成气直接转化成烯烃，合成气直接转化成芳烃，合成气直接转化成汽油，合成气转化成柴油，合成气直接转化成乙醇），这样经费就分散，主要任务都只能顾及催化剂开发部分（称之为核心技术），有关反应器，产物分离，过程综合，经济性评价部分就变成从属地位。现在课题的布置很多时候是“连横”而不是“合纵”，这样的科研组织方式在很大程度上制造了问题而不是解决了问题。
2. 油品提质相关的课题
随着社会的发展，中国石油需要大量进口，石油可能越来越重，越来越脏，但是其产品的标准只会越来越高。例如对于油品而言，对照国家汽油中杂质苯含量烯烃含量的要求，还有不少课题可以挖掘；对于化学品而言，“三烯三苯”的高效生产，加氢裂化制化学品等都有很大的应用空间；分子筛本身和分子筛为载体的催化剂的研究将是其中的一个关键，但是过程的成功开发肯定要理解流化床，涓流床这些反应器的行为。
3. C1化学
页岩气的出现对于中国天然气的供应其实是有好处的，但是在中国天然气的化学转化的市场不大。现在出现的甲烷直接转化的新技术，不是催化剂活性不够高，就是过程选择性不够好，还需时日去深入研究。此外，影响我们国家化学品供应的反而是页岩气中的杂质，乙烷丙烷丁烷之类。这直接会给煤化工带来冲击例如MTO过程，MTP过程等；乙烷丙烷制备化学品的投资低，路径短，工艺也成熟，所以研究乙烷和丙烷产业链及其下游倒是会大有用武之地，毕竟中国未来的化学品从数量和种类上都会大量增加。
对于合成气转化而言，有了前几十年的研发，目前已经进一步提升和切实解决工业化过程中产品价值的阶段。譬如说，甲醇合成催化剂的活性怎么样才能变得更高；费托合成中甲烷选择性怎么样才能降得更低；烃类产品中含氧化合物杂质如何减少；当目标为含氧化合物的时候，烃类选择性如何减少（例如甲醇合成中如何避免产生蜡和甲烷）等。有时候我们在实验室觉得过程有99%的选择性已经很好了，但是在工业中，需要了解剩余1%是什么及相关的问题。
4. 精细化学品
含氮和含氧的化学物，特别的聚合物单体以及一些关键的平台化合物。精细化学品增长与社会发展需求一致，产品往往需要通过复杂的选择性氧化，选择性加氢还有C-C键的偶联等方式实现。虽然这些过程可能规模较小，但是种类多，经济效益好。这部分目前在中国还处在初级阶段，不是很受重视，因为这些工作和基础化学品相比可能没有显示度，其实其中催化剂的开发和过程开发都大有可为。对于产量较大的平台化合物而言，按照整个社会的体量，甚至可以作为大规模化学品来对待。德国BASF不仅有大规模的炼化项目，也有很多精细化学品的生产。
5. 环境催化
真正高性能的结构催化剂和技术应该是当前比较紧迫的任务。废气处理领域，骨头最硬最难啃的就是含硫，含氮，含尘和含VOC混合情形。环境催化领域的挑战来自于涉及的工业领域众多而且原料还千变万化，且浓度低且不稳定，产品无直接经济效益等方面；其实从某种意义上来说，废气处理对于技术的要求最高。
6. 电催化
燃料电池和常规二次电池（不是典型的催化领域）中的挑战，既有催化剂开发的问题，也有系统集成，以及应用环境影响的问题。这也是一个材料或者催化剂放大，系统集成，过程经济性的综合问题。
7. CO2 转化的问题
首先表明观点，对CO2转化，现在最有效经济的还是植树造林，CO2催化转化在特殊市场可能会有些应用，但是大规模的化学利用例如合成甲醇问题还是存在很多挑战。
一是CO2的来源问题：我们总是谈到CO2的排放很多，但是哪怕最先进的上海外高桥发电站的尾气中也有SO2，NOx和粉尘。按照网上的数据，排放的浓度相应为：粉尘排放7.55 mg/m3, 二氧化硫排放17.7 mg/m3，NOx排放为15.19 mg/m3。如果要将这些带着杂质的CO2转化为甲醇，分离处理过程不仅耗费大量的能源，而且杂质还会毒化甲醇催化剂，所以想利用这些过程的CO2来转化很难。
二是压力不匹配：电厂尾气是接近常压的，要压缩到几十公斤和几百公斤的压力来进行合成甲醇，压缩能量耗费之大也是很不值当的。
第三，合适催化剂难找：从历史上看，按照图6，甲醇催化从原来的Zn-Cr催化剂变成Cu-Zn-Al2O3催化剂，大大降低了合成压力提高过程效率，其中一个原因就是合成气前的脱硫技术大大提高了。现在甚至有报道退而求其次去发展活性不高的Zn-Cr催化剂不仅热力学上不利，合成效率更低，而且高温下过程效率也较低。
第四：甲醇作为大众化学品的价格不高，而作为原料的氢气不便宜，高压氢气则更贵。综上，甲醇的CO2加氢合成可以研究，但是经济效益是有问题的。
图6（a）高压甲醇合成Zn-Cr催化剂（300 bar）和中低压甲醇合成催化剂Cu-Zn-Al2O3的压力操作范围; (b) 50 bar下CO2/CO加氢合成甲醇的平衡转化率
4. 结语
尽管人类都想逐渐摆脱对化石能源的依赖，从而逐渐走入低碳绿色的社会，来实现可持续的发展。但是从目前中国的发展水平而言，化石能源还将在很长一段时间内作为主要能源，从能源安全的角度，在中国，煤炭还将处于主导地位。不管怎么样，催化研究还是有很大发展空间，但是研究方向的选择上我们需要深入考虑，在以下几点方向个人认为与社会发展方向一致：
1. 尽管非均相催化过程是表面过程，但是我们不能光乐于表面文章，而应该去开发能够切实应用的催化过程，最终将过程工业化（立体化），这需要化学和化工的多学科有机结合；
2. 油品，基本化学品以及精细化学品的领域全方位深入研究；
3. C1化学相关过程中催化剂性能的进一步提升；
4. 因地制宜的能源供应带动的电催化方向；
5. 能处理复杂原料的环境催化方向
致谢：
需要感谢壳牌公司的专家对我不经意的训导；要感谢我的师兄华东理工大学周炜星教授的指正，还要感谢上海科技大学给予我上课的机会，也感谢2013和2014年上海科技大学的研究生。
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