为什么我们要从传统化石能源，转向可再生能源系统？这不仅是科学问题，更是生存问题。
9月24日，第十五期“浦江科学大师讲坛”在复旦大学光华楼举行。中国科学院院士、复旦大学未来能源高等研究院院长包信和，以“催化能源革命：重塑零碳未来的分子基础”为题，为师生揭开了能源变革的底层逻辑。
中国科学院院士、复旦大学校长金力为包信和颁发“浦江科学大师讲坛”主讲人证书，复旦大学副校长姜育刚主持讲坛。
“想办法让报告不枯燥，我花了很大力气。”讲座伊始，包信和幽默地“自曝”了备课的用心。直到报告前一天夜里，他还在修改展示幻灯片。
这位1978级复旦化学系学子，始终将自己的学术生涯起点归于复旦。当年，他从谢希德校长手中接过推荐信赴德留学，学成回国后，深耕催化领域数十年。去年，他在中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学工作近30年后，重回母校复旦大学，担任未来能源高等研究院院长。
回顾学术生涯与工作经历，他最大的感悟就是“每个人的成长都与国家的发展休戚与共”。因此，个人需要筑牢基础，顺应时代之势，投身国家有重大需求的行业领域，扎实地进行研究工作。而能源方向，就是他深耕数十年的研究领域。
为什么要研究能源？包信和给出了冷峻的数据：我国石油对外依存度高达约73%，天然气达约45%。这意味着，我们的能源饭碗，很大程度上端在别人手里。他指出，构建新型绿色低碳能源体系，不仅是“双碳”目标的需求，更是国家安全的战略底线。
那么，未来绿色低碳能源体系的底层逻辑是什么？在包信和看来，这一体系的底层逻辑是化石燃料驱动转化为可再生电力驱动，基本结构是可再生能源转化为电力、电气化与分子燃料。
作为物质转化的基础核心学科，催化科学为能源体系从化石能源主导向可再生能源跨越转型，提供了核心科学支撑——1835年Berzelius第一次提出催化名词，1894年Ostwald给出催化科学概念……近百年来，催化科学领域产生了20多项诺贝尔化学奖得主。在产业界，80%化学工业以及20-30%GDP与催化技术相关。
催化科学追求的目标，正是精准调控化学反应的活性和选择性。凭借在纳米限域催化和合成气制烯烃等限域催化领域的杰出成果，包信和以第一完成人身份荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。
能源转型有一个绕不开的显示问题：风、光发电越来越多，但家里的取暖、飞机烧的油、工厂要用的化学品，不能全靠电。能否让传统化石能源更干净、更省水、更精准，同时为可再生能源争取时间？答案就藏在“催化科学”里。
催化科学，是物质转化的核心基础学科，也是驱动能源体系迭代升级、支撑从化石能源向可再生能源跨越的底层根基。“化学反应像爬一座高山，普通人爬不上去。催化做的事，就是把高山挖成几个矮山头，让反应更容易翻过去。”包信和打了个比方。
（催化反应形象示意图）
他多年研究的“纳米限域催化”，就是这个“挖山”的过程。基于相关原理，团队发明了OXZEO技术，实现了煤基合成气一步制低碳烯烃。传统煤制烯烃走“煤气化—合成气—甲醇—烯烃”的路径，产物分布受ASF统计规律限制，而且高耗水、高耗能。包信和团队的思路是：氧化物组分负责活化一氧化碳和氢气，分子筛组分用规整孔道控制碳链增长。合成气可以一步变成低碳烯烃，绕开ASF天花板，低碳烯烃单程选择性突破80%，甲烷副产可以低于2%，水耗减少60%以上。
2020年，团队与陕西延长石油合作，建成了世界首套千吨级工业试验装置。包信和强调：“成果转化要面向需求，不是先做出成果再找市场，而是研发初期就明确企业需要什么，让合作方全程参与。”从实验室到千吨级试验，OXZEO正是与延长石油共同攻关的结果。
包信和描绘的未来能源图景，是一个“电子与分子”共舞的时代。电力将成为主体，但氢气难储运，因此需要将其转化为甲醇、氨等“分子燃料”。
他特别强调“先立后破”：先立起可再生能源的“大厦”，再逐步破除对化石能源的依赖。在这个过程中，催化科学不是要立刻“消灭”煤炭，而是要让煤炭的利用方式发生质变——从“烧煤”变成“分子炼煤”。
“催化剂就像一把剪刀，”包信和形象地解释，“我们直接把煤剪成我们需要的化学品，而不是先把它烧成一氧化碳再重组。”甚至，利用高温等离子体，未来可以直接把煤变成乙炔，这个过程理论上不排二氧化碳，也不耗水。
回到复旦后，包信和依然奔跑在催化科学的最前沿。他带领研究院与合作单位共建国家级未来能源中试基地，建设AI自驱动催化创新实验室，并正在申请催化概念验证中心——重点解决从毫克到公斤级的催化剂制备与验证，填补实验室与工业界之间的“死亡之谷”。
人工智能时代，面对AI给科学研究带来的挑战，包信和认为，AI虽能快速获取知识，但创新源于人脑对知识的内化与重组。“只有具备扎实的基础知识和领域结构认知，才能有效利用AI进行批判性思考和原创性研究。”
此外，AI for Science赋能催化研究也拥有许多新的方向。从基于AI和数据驱动的催化剂精准设计与制备，到AI和大数据融合辅助的结构表征和机理反演，再到AI赋能催化过程开发，“AI+催化”研究的未来可期。
讲座现场，有同学提问：从反应产物来说，氨燃料产出氮气和水，比碳氢化合物更加环保，为何会选择以碳氢化合物为主的路线呢？
包信和坦言，氨作为零碳燃料，确实具有极大的优势。但是常温环境氨为气态，不便运输，作为能源而言并不完备。因此，近阶段占据主要地位的仍然是甲醇。不过他也表示，氨在未来具有很大的发展潜力。“我们最近在做的一件事情，就是把氨直接加工成燃料电池的燃料，从而支持算力中心实现绿电绿算。”
也有同学好奇光催化在能源变革中的前景。包信和现场给大家算了笔能源账：人类所有能源本质上都来自于太阳。如果直接用太阳能分解水，能源效率为1%~2%。但是太阳能转化为电能源效率为20%~30%；再用电来分解水，能源效率为80%。总体而言，把太阳能先转化为电，效率更高。“但是科学是不断进步的，希望有志的青年人可以通过研究推动光催化的发展。”