获中国自然科学领域最高荣誉——国家自然科学奖一等奖

作为学科带头人主持承担众多国家级学科项目

心系学子 奔波教学

将荣誉置于布袋而被称为“布袋院士”

他是中国科学院院士

复旦大学党委常委、化学与材料学院院长

他是物理化学家赵东元

复旦泛海国金2023校友新春年会，赵东元院士以“双碳策略下，未来能源的发展”为题，为我们科普了能源的前沿发展情况，带领大家认识未来能源，了解中国能源问题，学习新材料创制等未来能源发展的可能方向。

能源是国家以及人类社会生存和发展的重要基础，在国防和国民经济中具有特别重要的战略地位，人类社会发展中遇到的许多问题都与能源的利用密切相关。

新型可再生能源目前尚处于“婴儿”时期，在短时间内很难挑起未来能源的重担。一方面，我们经常谈到的风能、核能、太阳能等新型可再生能源，其实并不完全可再生。以太阳能为例，太阳的寿命大约是100亿年，我们现在已经用了50亿年，还剩50亿年。另一方面，能源的主要供应来源需同时具备以下三个要素，稳定供应、环境友好、价格低廉，而新能源领域尚无法实现上述稳定的三角形特征。

建设以化石能源为引领的绿色、低碳能源体系是全球可持续发展的根本需求，是人类命运共同体的物质基础。就目前而言，未来能源的发展还是以化石能源为主要引领方向。根据数据，我们可以看到2015-2020年间，煤炭、石油、天然气三类化石能源加总仍占到世界能源的80%以上，可再生能源占比不到20%。其中，中国贡献了世界上近50%的可再生能源利用。但回看中国的能源结构，同样以化石能源占比为主，其中煤炭占比超50%。

可见，长期来看，我们还是需要化石能源。化石能源很难被取代。因此促进化石能源长期改革、推动化石能源结构变化对我们中国非常重要。对于未来能源，我们应该关注化石能源结构的改变，降低煤炭占比，提高石油、天然气（甲烷——最清洁的化石能源之一）占比。

实现未来能源供需平衡还应关注一次能源。有说法称，化石能源来自地下，是有限资源。上世纪八十年代，我们就曾预判石油资源将于2000年耗尽，然而并没有。从某种意义上来说，这些能源的危机并不存在，能源危机其实是一个经济问题，并不是其他问题。化学是一个能源变化的过程，社会其实也是一个变化的过程。2018年底全球石油探明储量总量达2394亿吨，根据当年的储产比，全球石油还能以现有的生产水平生产200年以上。就未来能源的供需平衡问题，化石能源也即一次能源需要我们给予更多关注。

我国人均能源资源拥有量低下，且缺油少气。虽然中国是煤炭大国，但我国人均煤炭占有量低于世界人均，且十分缺油少气，可以说几乎没有天然气。如果能改变少气的现状，污染相关的很多问题都可以解决。

石油进口依存度高，能源安全需要重视。可以看到，2019年我国的石油进口达到73%，超过进口依存度红线23%。目前，中国是世界上最大的能源消费国，能源消费量占全球能源消费量的23%，能源消费增量占全球能源需求增长的27%。整体来看，我们国家受到石油的影响非常大，能源安全是非常大的一个能源问题。

化石能源的使用会带来碳循环问题。一方面，化石能源难以被取代，实现未来能源供需平衡需要关注化石能源，特别是我国还存在着能源安全的问题。但另一方面，化石能源的使用也确实会带来碳循环问题。我们都知道，化石能源的使用会产生二氧化碳，比如消耗1.0吨煤会排放出3.7吨的二氧化碳。碳循环问题是非常大的问题，生物生命都是由碳构成的。而二氧化碳是气体，当碳都变成气体跑到宇宙，那将对我们的子孙后代造成不利影响。这是我们需要降低化石能源使用的原因。

因此，我们提出了“碳中和”的概念。碳中和是人类命运共同体的共同目标。2020年9月习近平总书记在第75届联合国大会上，明确提出我国要实现2030碳达峰，2060碳中和。就目前来看，实现碳达峰基本没有问题。问题在于碳中和，如何实现正负抵消，达到相对“零排放”，这是一个重大的问题。褚院士所提及的人工智能等科技发展或多或少依赖于碳排放，经济不能不发展，那么如何才能实现碳中和。关键在于产业革命，在于产业革命怎样能在碳达峰期实现减碳，以化学的方式把二氧化碳人为地“排放”“中和”掉。

科技对推动“碳中和”目标的实现不可或缺。碳中和目标的实现，需要经济社会达到一定的条件和水平，发达经济体在人均GDP为2-2.5万美元时实现碳达峰，而我国目前的GDP仅1万美元，能源消费仍处于上升通道，没有时间重复发达国家“人均能源消费先快速增长、长时间饱和、逐渐下降”的历程，因此，技术创新需发挥更重要作用。

下面我就结合自己的科学研究经验，谈一下减碳的方式。根据能源分类，减碳大致可以有两条路径，更高效地利用化石能源以及不断改进水、风、电等新能源。钢铁、化工、有色等工业过程都是高排放行业，如何去调整这些过程中的碳排放呢？要用化学方法，叫CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage），碳捕获、利用与封存，去进行调整。二氧化碳对于化学人来说，是最稳定的一个分子。所有的燃烧最后都会释放出二氧化碳，它最稳定，也证明很难把它转化。这是世界性的难题。因此我们需要尽可能在前端完成减碳，而非在后端针对二氧化碳进行处理。

使用介孔材料催化能提高石油利用效率和产物质量。那化学家可以做什么？就是寻找高效的将石油等碳氢化合物变成我们日常生活中使用的化学品、日用品的方法，那最关键的就是提高反应效率的催化剂材料。我从事的工作就是研究创制这类介孔材料，将其应用于石油化工之上。介孔材料是孔径在2-50nm的一类多孔材料，每一个多孔材料的发现对于化工而言都是反应效率的提高和经济效益的产出。上世纪60年代，微孔分子筛作为裂化催化剂得到应用，促使原来的炼油效率增加6个数量级的同时，得到的产物质量也有非常大的提高。

介孔材料可实现高性能的重油催化裂化。那介孔材料怎么制备？介孔材料的制备就像搭玩具乐高，各种功能基元就像乐高的基本组件，通过组装搭建形成介孔材料。这样模块化的组装，能够实现多功能、多维度介孔材料的个性化制备。回到石油，我国原油消耗量达7亿吨/年，其中渣油含量达3亿吨之多。而目前我们的炼油工艺只能利用其中的20%（5000万吨），其余的渣油只能用来作沥青铺柏油马路。通过功能化介孔材料，可以将这些重油渣油打碎，从大分子变成汽柴油这些中小尺寸分子，用孔径更小的材料可以进一步变成其他一些更小分子量的高质量液体。目前我们跟中石化合作十年，发展了成熟的工业化制备技术，实现了FC-38分子筛的千吨级生产，推动重油加氢裂化效率的提升。在FC-38催化剂的应用下，整个油品每年可增产150万吨高质量的航煤和柴油，这对于石油能源的高效利用以及减碳都起到正向作用。

新型介孔材料未来可期。我还在想象，相较固体形态，液体流动性更好。那液体介孔材料，又是孔又可以流动，对于石油的裂化应用是否又是一场革命？此外，介孔材料具有很好的传输电解质的性质，那未来是否也可以应用于电极制备和电化学储能，应用于高能量密度、长寿命和高安全性的储能器件的发展，助力双碳目标的实现。给大家举一些具体例子。相比于传统炭黑、碳纳米管，介孔碳将是新一代的导电浆料，介孔碳导电剂在比表面积和吸液量有大幅提升，使用介孔碳导电浆料制作的电池在倍率和容量上都有明显优势。而介孔氧化硅解决了厚极片和高压实极片传质受限的难题，作为负极保液剂，在极片浸润、电池首效、快充性能上也有明显优势。硅碳负极材料将是未来锂离子电池能量密度提升的关键材料之一。

新材料的创制，是未来能源变革新技术发展的重要基石。能源是经济和社会发展的重要物质基础，科技创新则是解决未来能源问题和环境问题的重要途径。我们处于，也或将长期处于对一次能源的依赖中。页岩气、可燃冰等一次能源的勘探、开采非常重要。可燃冰，也就是甲烷，天然气，如果可以实现开采，我们国家的能源结构将大大改变，一次能源高效清洁利用（催化材料）是我们将来的方向。而包括碳循环的有效控制（高效储能的基础）、可再生能源的有效利用、核能的科学发展和使用，以及高效节能和储能（材料）技术的开发，也均是新能源的开发利用方向。目前，核聚变技术，用1当量的能源已经做成了1.2当量，这个确实是可持续，就像原子弹爆炸一样可以不断延续，这个就叫人造太阳，这种能源才是真正的绿色能源。 

我的分享到此结束，谢谢大家！