催化科学能否成为第三次能源转型的关键推手？机遇与挑战并存

本综述深入探讨了催化技术在第三次能源转型中的潜在作用。作者指出，与前两次以分子转化（化石燃料利用）为核心的能源革命不同，本次转型以电子移动（电气化）为主导。文章系统分析了催化在重载交通、工业过程（如低碳氢能、可持续航空燃料(SAF)、生物燃料、碳捕获与封存(CCS)）等难以电气化领域的关键赋能潜力，并前瞻性讨论了能源转型对催化科学本身（如关键金属回收、低碳催化工艺）带来的深远影响。

　　

Highlight

世界的能源需求

能源使用与生活水平息息相关。如图2所示，更高的能源消耗与人类繁荣（以联合国人类发展指数(HDI)衡量）之间存在强相关性。HDI是三个关键维度的综合衡量指标，即出生时预期寿命、知识（以预期受教育年限表示）和体面的生活水平（以人均国民总收入表示）。获得更多能源使人们能够改善生活条件，而催化通过实现燃料和化学品的生产，在提供这种能源 access 方面发挥了关键作用。

催化可能影响第三次能源转型的潜在领域

如第1.3节所讨论，电气化是第三次能源转型的关键驱动力。然而，与轻型乘用车运输不同，电气化不太适用于商业重型运输和工业应用。到2050年，能源使用必须增加，以支持更大的人口和经济增长，而化石燃料仍然是生产支持商业运输、制造业和工业过程所需的巨量能源的最有效方式。因此，催化可以通过多种方式在第三次能源转型中发挥关键作用，包括但不限于：

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  生产低碳强度的氢能(H₂)，用于重型运输和工业热源。

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  生产可持续航空燃料(SAF)和可再生柴油，用于航空和海运。

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  通过费托合成(Fischer-Tropsch Synthesis)等工艺将CO₂转化为燃料和化学品。

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  开发用于碳捕获与封存(CCS)的新型吸附剂和催化剂。

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  通过生物质转化生产生物燃料和生物基化学品。

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  为化工和炼油行业开发节能和低排放的催化工艺。

第三次能源转型对催化科学的影响

第3节重点讨论了催化如何影响第三次能源转型，但另一个应该提出的问题是第三次能源转型将如何影响催化科学。第三次能源转型的真正赋能者是金属，尤其是稀土金属，它们是生产电池、风力涡轮机和太阳能光伏板所必需的。随着第三次能源转型的推进，世界将需要越来越多的必须从地壳中开采的金属，这引发了关于这些金属的可用性、可及性和可持续性的问题。此外，从使用过的电池、催化剂和电子设备中回收这些金属将变得越来越重要，而催化可以在这些回收过程中发挥作用。最后，用于生产催化剂本身的过程可能需要改变，以减少其碳足迹，例如通过使用可再生能源或开发更节能的催化工艺。

Conclusion

许多人认为第三次能源转型正在进行中，但其后果将与第一次和第二次能源转型不同，后两者从根本上改变了人类使用能源的方式。支撑第三次能源转型的能源很可能被视为对能源资源基础的补充，而非现有能源的完全替代品。世界需要大量能源，大约每14.6小时就需要1 quadrillion BTUs（= 1.055 exajoules），而以满足世界需求并降低排放的方式供应这些能源是社会面临的关键挑战。虽然第二次能源转型部分是由催化技术的进步推动并依赖于其发展，但催化对主要由电子移动而非分子转化驱动的第三次能源转型的影响尚不清楚。本视角文章试图通过讨论催化在难以电气化的领域（如重型运输、工业应用）的持续作用，以及能源转型本身对催化科学的影响，为解决这个问题提供一些思考和见解。