石化工业ღ✿◈！威斯尼斯人60555ღ✿◈，澳门尼威斯人网站澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈。威尼斯澳门尼威斯人8311ღ✿◈，威斯尼斯人ღ✿◈，3月16日ღ✿◈，由中国石化主办的“功勋不朽ღ✿◈、薪火永传”弘扬闵恩泽科学家精神学术论坛在京举办ღ✿◈。200余位能源化工行业专家学者共聚一堂ღ✿◈，深切缅怀闵恩泽院士ღ✿◈，继承和发扬以闵恩泽院士为代表的科学家精神ღ✿◈，深入探讨了“双碳”背景下能源化工行业转型发展之路ღ✿◈。本版整理刊发院士专家演讲发言中的石化工业前沿技术ღ✿◈，敬请关注ღ✿◈。

　　中国科学院院士ღ✿◈、中国石化总工程师谢在库认为ღ✿◈，随着能源深入转型ღ✿◈，化石能源需求逐渐达峰ღ✿◈，石油等化石能源用途逐步从“燃料”向“原材料”转变ღ✿◈，高碳排放的石化工业过程需要创制重大变革性新过程ღ✿◈。

　　例如ღ✿◈，催化裂化的碳排放很高ღ✿◈，它是吸热反应ღ✿◈，反应温度在480~540摄氏度ღ✿◈，而甲醇转化是放热反应ღ✿◈，反应温度在400~500摄氏度ღ✿◈，将二者耦合ღ✿◈，匹配最佳催化剂ღ✿◈，这一新过程如果能够实现将是革命性的ღ✿◈，可以大幅减少碳排放ღ✿◈。

　　又如ღ✿◈，甲烷是储量丰富的重要能源ღ✿◈，其利用方式通常是加水重整制成合成气ღ✿◈，再进一步转化成各类化学品和燃料ღ✿◈，但碳排放很高ღ✿◈。显然ღ✿◈，能直接转化甲烷当然好ღ✿◈，但甲烷分子碳氢键能很高ღ✿◈，直接催化转化通常需要高温等苛刻条件ღ✿◈。因此ღ✿◈，在温和条件下实现甲烷选择活化和直接定向转化ღ✿◈，被看作是催化领域的“圣杯”ღ✿◈，是最具挑战性的化学研究方向之一ღ✿◈。利用双氧水和高效催化剂可以在温和条件下实现甲烷直接氧化制甲醇ღ✿◈，选择性达到90%以上日本zljzljzlj精品ღ✿◈，可以大幅减排二氧化碳ღ✿◈，这一变革性过程非常值得期待ღ✿◈。

　　再如ღ✿◈，二氧化碳甲烷重整制合成气ღ✿◈，是典型的放热反应ღ✿◈，如果能够加一部分氧ღ✿◈，放热和吸热进行耦合ღ✿◈，不仅反应温度可以从800摄氏度降到600摄氏度ღ✿◈，而且可以提高二氧化碳转化效率ღ✿◈，计算能效可提高23%ღ✿◈。目前国内外很多团队都在进行这方面的探索ღ✿◈，期待取得更大突破ღ✿◈。

　　新能源领域ღ✿◈，绿氢制取是当前和未来的研究热点ღ✿◈。可再生能源电解水制氢方面ღ✿◈，碱性电解水制氢技术成熟且已工业大规模应用ღ✿◈，但碱液具有腐蚀性ღ✿◈，后期运维复杂ღ✿◈；质子交换膜电解水制氢技术因贵金属成本高ღ✿◈，商业化水平低ღ✿◈；阴离子交换膜电解水制氢技术催化剂成本低日本zljzljzlj精品ღ✿◈，但稳定性有待突破ღ✿◈，目前仍处于实验室阶段ღ✿◈；固体氧化物电解水制氢技术转化效率高ღ✿◈，但高温限制材料选择ღ✿◈，目前尚未产业化ღ✿◈。绿氢制取未来的方向是光电催化制氢ღ✿◈，基于自然光合作用原理ღ✿◈，实现高效催化分解ღ✿◈，目前太阳能-氢气（STH）转换效率最高可达4.3%ღ✿◈。

　　储氢方案有很多ღ✿◈，其中一种是有机化合物储氢ღ✿◈。如甲醇的氢含量为12.5wt%（质量百分含量）ღ✿◈，十氢萘为7.3wt%ღ✿◈，环己烷为7.1wt%ღ✿◈，氨气为17.7wt%ღ✿◈，氨基硼烷为19.6wt%ღ✿◈。甲醇和氨都是重要的选择ღ✿◈，在这一过程中ღ✿◈，良好的热力学和动力学匹配ღ✿◈、设计一种低反应活化能的催化剂成为关键ღ✿◈。

　　材料变革方面ღ✿◈，新能源材料需求强劲ღ✿◈。据预计ღ✿◈，“十四五”期间ღ✿◈，我国新能源产业将以年均19%的速度增长ღ✿◈，新能源行业高端石化材料需求规模近300万吨ღ✿◈，涉及约50种产品ღ✿◈，消费量排名前十的产品增量空间均在10万吨以上ღ✿◈，动力电池材料是最大消费领域ღ✿◈，氢能材料消费增速最快ღ✿◈，“十四五”期间年均达70%以上ღ✿◈，而我国新能源高端石化材料自给率仅60%~70%ღ✿◈。

　　高端石化材料大量是高分子材料ღ✿◈，要根据市场对材料性能的需求ღ✿◈，基于结构与性能的科学认识ღ✿◈，合理设计碳基结构ღ✿◈，绿色合成关键单体ღ✿◈，通过可控聚合ღ✿◈、良好加工ღ✿◈，生产出满足市场需要的高分子材料ღ✿◈。这就涉及分子链结构调控的问题澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈，目前研究的热点之一是茂金属催化剂ღ✿◈。比如生产聚烯烃弹性体（POE）ღ✿◈、超高分子量聚乙烯（UHMEPE）等ღ✿◈，茂金属催化剂的研制都是重点难点ღ✿◈。

　　分离工业的碳排放也很高ღ✿◈，需要研究先进的节能分离材料ღ✿◈。如膜分离的关键科学问题是通量与选择性相互限制ღ✿◈，难以同时提高ღ✿◈，而金属-有机骨架材料（MOF）具有比表面积高ღ✿◈、孔径可调性和结构可设计性强等优势ღ✿◈，被认为是极具潜力的新型吸附与膜分离材料ღ✿◈。

　　智能变革方面ღ✿◈，新材料自主发现合成系统（无人实验室）是一个重要方向ღ✿◈。美国劳伦斯伯克利国家实验室与谷歌DeepMind团队合作开发自主实验室系统A-Labღ✿◈，由人工智能指导机器人制造新材料ღ✿◈，在17天里连续开展355次实验ღ✿◈，合成了58个目标化合物中的41个ღ✿◈，成功率达到71%ღ✿◈，远高于人工实验的成功率ღ✿◈。中国石化通过理论计算ღ✿◈、高通量实验与大数据分析相结合ღ✿◈，发现了新结构分子筛ღ✿◈，实现国内工业企业零的突破ღ✿◈。此外ღ✿◈，将机器学习与高通量技术耦合ღ✿◈，可以发展数据驱动的催化剂描述符建立方法ღ✿◈。工业化与信息化深度融合建立石化智能工厂ღ✿◈，可以实现从人全盘控制到人不在现场的完全自主运行ღ✿◈。

　　人类活动中大约90%的化学品生产过程与催化有关ღ✿◈。催化过程是吸附-反应-脱附过程ღ✿◈，也就是说ღ✿◈，催化剂要先把反应物“吸引”到表面进行反应澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈，然后把得到的反应物“抛弃”ღ✿◈。

　　所以ღ✿◈，为了“少花钱干大事”ღ✿◈，有必要在保持催化剂总量不变的前提下增加催化剂表面积ღ✿◈，这就需要将催化剂“切割”到微米甚至纳米级ღ✿◈，“切割”到极限ღ✿◈，催化材料就以单个原子的形式分散于另一种材料上ღ✿◈。

　　单原子催化剂ღ✿◈，就是将单个金属原子锚定在载体上的材料ღ✿◈，单原子只和载体相互作用ღ✿◈，金属原子之间没有键ღ✿◈。由于拥有最大限度的原子利用率ღ✿◈，单原子催化剂在多相催化反应中表现出优异的性能ღ✿◈。

　　自中国科学院院士ღ✿◈、发展中国家科学院院士ღ✿◈、加拿大工程院国际院士张涛院士团队于2011年设计制备了第一个单原子催化剂并提出了“单原子催化”概念后ღ✿◈，成为全球研究的热点ღ✿◈。

　　到目前为止ღ✿◈，元素周期表里超过50%的元素都有单原子催化剂的报道ღ✿◈，从贵金属到过渡金属ღ✿◈，再到主族金属ღ✿◈、非主族金属ღ✿◈、非金属ღ✿◈、稀土等ღ✿◈。

　　据统计ღ✿◈，单原子催化在30个以上的反应里显示出优越的活性和选择性日本zljzljzlj精品ღ✿◈。不仅化学领域ღ✿◈，材料ღ✿◈、物理甚至生命科学领域也借用单原子催化的概念ღ✿◈。

　　单原子催化比较难的反应有甲烷的转化ღ✿◈、水的转化澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈、二氧化碳的转化和氮的转化等ღ✿◈，特别是二氧化碳的转化是近期研究的热点ღ✿◈，有热ღ✿◈、电ღ✿◈、光等不同的转化方法ღ✿◈。

　　在二氧化碳热催化中ღ✿◈，包括钌ღ✿◈、铑ღ✿◈、铂ღ✿◈、铜ღ✿◈、镍ღ✿◈、钴等元素有独特的活性和选择性ღ✿◈，如铜的单原子催化剂比纳米催化剂活性更强ღ✿◈，铑则对碳碳偶联反应非常有效ღ✿◈。目前ღ✿◈，单原子催化在高温严苛条件下的转化率特别是稳定性仍然是较大挑战ღ✿◈。

　　在二氧化碳电催化中ღ✿◈，金属单原子催化剂有锰ღ✿◈、铁ღ✿◈、钴ღ✿◈、镍等不同体系ღ✿◈。一氧化碳可以作为主要产物ღ✿◈，一些金属特别是铜对于碳碳偶联生成碳2以上化合物非常有效ღ✿◈。近期ღ✿◈，两个单原子催化剂合起来的双原子催化剂在一些特定的二氧化碳转化反应里表现较好ღ✿◈。

　　在二氧化碳光催化中ღ✿◈，单原子催化可以优化电子能带ღ✿◈，促进二氧化碳活化ღ✿◈，精确调控二氧化碳转化中间物的吸附ღ✿◈，从而获得较好的选择性ღ✿◈。单原子催化剂还可以和其他元素组成多功能的催化剂ღ✿◈，对催化的反应性和转化率进行调控ღ✿◈。

　　二氧化碳转化最大的挑战就是如何设计好的催化剂ღ✿◈，能够在低温下ღ✿◈、在高的化学平衡转化率条件下获得高的二氧化碳反应性ღ✿◈。二氧化碳转化的另一挑战是如何获得比较好的选择性ღ✿◈，二氧化碳转化到碳1ღ✿◈，生成一氧化碳ღ✿◈、甲烷ღ✿◈、甲醇ღ✿◈、甲酸比较容易ღ✿◈；到了碳碳偶联ღ✿◈，通过深度加氢生成乙烯ღ✿◈、乙烷ღ✿◈，这个反应就难一些ღ✿◈；更进一步ღ✿◈，可以通过碳碳偶联ღ✿◈、部分加氢ღ✿◈，生成高附加值的含氧化合物ღ✿◈，如乙醇ღ✿◈。因此ღ✿◈，通过设计调控催化剂ღ✿◈，可以获得不同的反应产物日本zljzljzlj精品ღ✿◈。

　　单原子催化剂可以融合酶催化和均相催化ღ✿◈，实现单原子催化在不同反应里的调控ღ✿◈，继而实现碳碳偶联ღ✿◈。在二氧化碳加氢生成水和一氧化碳的反应中ღ✿◈，过去纳米催化时ღ✿◈，认为反应在金属和界面发生ღ✿◈，而利用单原子催化ღ✿◈，明显的界面没有了ღ✿◈，其实是无限的界面ღ✿◈，每一个单原子和载体接触非常充分ღ✿◈，非常有利于二氧化碳活化ღ✿◈。

　　利用单原子催化剂和特殊载体的相互协同ღ✿◈，可以实现碳碳偶联ღ✿◈。第一步通过载体活化二氧化碳ღ✿◈，生成碳1化合物ღ✿◈；第二步ღ✿◈，利用单原子活性位实现碳碳偶联ღ✿◈。

　　近期也有单原子催化和纳米催化协同反应的案例ღ✿◈，对二氧化碳活化非常有效ღ✿◈。二氧化碳在电催化条件下ღ✿◈，通过单原子催化剂和纳米催化剂协同作用ღ✿◈，实现生成高选择性乙醇的反应结果ღ✿◈。

　　单原子催化经过10多年发展ღ✿◈，带来很多机会ღ✿◈，也面临很多挑战ღ✿◈，如单原子催化剂的可控制备ღ✿◈、表征方法ღ✿◈、在高温下保持较好的催化活性和转化率等ღ✿◈。

　　张涛说ღ✿◈，单原子催化使得催化研究进入原子尺度ღ✿◈，还使得传统催化的分散度ღ✿◈、表界面等概念部分失效ღ✿◈。其描述符是它的微环境及化学状态ღ✿◈，单原子配位环境决定了单原子的活性ღ✿◈、稳定性和选择性ღ✿◈，这是今后研究的重点ღ✿◈。

　　中国工程院院士ღ✿◈，中国工程院党组成员ღ✿◈、秘书长陈建峰说ღ✿◈，在现代化产业体系建设中ღ✿◈，化学工业是传统产业的支柱ღ✿◈，面临绿色发展的挑战ღ✿◈，同时还要解决“卡脖子”问题ღ✿◈，为战略新兴产业和未来产业不断提供新的物质ღ✿◈、新的能源ღ✿◈、新的材料ღ✿◈。

　　人类社会将进入原子制造时代ღ✿◈。美国国防部高级研究计划局于2015年底启动“原子到产品”项目ღ✿◈，目标是解决纳米材料制造的工程放大问题ღ✿◈。

　　原子排序不同就有不同功能ღ✿◈，碳原子多层排序就是石墨ღ✿◈，剥离成一层就是石墨烯ღ✿◈，把一层卷起来就是碳纳米管ღ✿◈，按足球形状排序就是碳60ღ✿◈，按六方体排序就是金刚石ღ✿◈，石墨很软可以用来做铅笔芯澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈，而金刚石硬到可以切割钢铁ღ✿◈。工厂如何控制原子的排序日本zljzljzlj精品ღ✿◈，正是需要努力的方向ღ✿◈。目前高分子材料的“卡脖子”难题就是高分子链的排序组合等ღ✿◈，不同的结构决定了不同的功能ღ✿◈。

　　分子化学工程是从原子/分子到工厂产品的过程ღ✿◈。目前ღ✿◈，对工业容器尺度的化学过程科学认识较为清楚ღ✿◈，而对微纳尺度到分子尺度下的化学过程ღ✿◈，包括流动混合ღ✿◈、界面传递ღ✿◈、反应/分离等认识都不是很清晰ღ✿◈，这个问题不解决ღ✿◈，将阻碍化学工业的发展ღ✿◈。

　　未来的化学工业ღ✿◈，将是原子ღ✿◈、分子智能组合ღ✿◈，形成智能的反应与分离系统ღ✿◈，从而实现原子ღ✿◈、分子尺度物质的精准控制ღ✿◈。

　　分子化学工程学ღ✿◈，就是在工业容器尺度（反应器/分离器）上日本zljzljzlj精品ღ✿◈，实现物质原子/分子尺度的化学转化和物理分离精准可控的过程科学与技术ღ✿◈。它是从分子到工厂的桥梁ღ✿◈，可以设计数字孪生工厂ღ✿◈，理想目标是过程可以无级放大ღ✿◈，实现安全ღ✿◈、高效ღ✿◈、绿色制造ღ✿◈。

　　这个方向已经成为可能ღ✿◈。国内已经可以对催化反应中的原子ღ✿◈、分子进行静态观察ღ✿◈。我国科学家构建纳米芯片反应器和世界领先的原位电化学显微系统ღ✿◈，首次从原子分子尺度认知和解析电化学界面反应过程ღ✿◈，由此发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制ღ✿◈，入选2023年中国科学十大进展ღ✿◈。

　　还可以借助人工智能ღ✿◈，实现机器人全自动操作的原子/分子制造ღ✿◈。麻省理工学院就由人工智能软件提出合成分子的途径ღ✿◈，再由化学家审查这条路线并将其细化为化学“配方”ღ✿◈，最后将配方发送到机器人平台ღ✿◈，自动组装硬件并执行反应构建分子ღ✿◈。

　　化学工程经过百余年发展ღ✿◈，已经从宏观的“三转一反”（动量传递ღ✿◈、热量传递ღ✿◈、质量传递ღ✿◈、化学反应）发展到现在的微纳尺度ღ✿◈，今后将迈向分子尺度ღ✿◈、原子尺度ღ✿◈，分子化学工程时代即将到来ღ✿◈，但要解决一些重大问题ღ✿◈：分子层面的分子结构设计理论与智慧反应调控ღ✿◈，微纳层面的纳米传输ღ✿◈、反应/分离ღ✿◈、分子结构的关系论ღ✿◈，装备层面的工程放大ღ✿◈，工厂层面实现分子智造的数字化设计与优化控制ღ✿◈。

　　化学工业的主要问题是工程放大ღ✿◈，往往出现选择性下降ღ✿◈、转化率下降的问题ღ✿◈，其核心是在分子尺度的传递混合没有做好ღ✿◈，难题是如何在毫秒~秒量级内实现分子级的混合均匀ღ✿◈。陈建峰团队研究发现在超重力环境下微纳尺度混合可以被强化2~3个数量级ღ✿◈，因此研发了超重力装备ღ✿◈，在工厂中应用ღ✿◈，体积是常规填料塔的1/10ღ✿◈，效率可以提高千倍ღ✿◈。

　　超高纯电子化学品是集成电路制造中用量最大的原材料之一ღ✿◈，是大国贸易的“撒手锏”ღ✿◈，但“卡脖子”问题突出澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈，其最大难题就是杂质离子含量须从ppm（百万分之一）级降至ppt（万亿分之一）级ღ✿◈。超重力氧化反应分离器耦合强化技术解决了这一问题ღ✿◈，打破了国外技术垄断ღ✿◈，产品出口至美ღ✿◈、日ღ✿◈、韩等国ღ✿◈。

　　超重力技术用于亚硝酰硫酸生产ღ✿◈，将3条生产线条生产线%澳门尼威斯人网站8311ღ✿◈，人员减少近一半ღ✿◈，占地面积减少一半ღ✿◈，本质安全水平显著提升ღ✿◈。

　　超重力技术用于二氧化碳捕集ღ✿◈，使捕集能耗降至2.1吉焦/吨二氧化碳以内ღ✿◈，同时将二氧化碳用于新疆地区农业ღ✿◈，平均提高农作物产量20%~40%ღ✿◈，还可改良盐碱地ღ✿◈、沙地ღ✿◈，实现负碳绿色ღ✿◈、盐碱地改良ღ✿◈、作物增产的多赢ღ✿◈。

　　超重力法制备液冷化学品ღ✿◈，革新了数据中心散热传统的风冷技术ღ✿◈，使传热效率提高6倍ღ✿◈、算力提高4倍ღ✿◈。