非常荣幸我们所（兰州化物所）能承办这次会议，同时也十分有压力，在这里做关于“西部地区资源能源结构与国家‘双碳’战略”的报告。本人现在工作于兰州化物所羰基合成与选择氧化国家重点实验室、低碳催化与二氧化碳利用重点实验室，跟西部能源、国家双碳战略关系紧密，在此向大家汇报一些相关工作。报告主要有以下几个部分，首先是形势进展与科技需求，然后是现状趋势与潜力评价，最后是一些简单的思考问题与对策建议。

“双碳”是我们国家响应世界环境压力，以及可持续发展背景下做出一个承诺。一个大背景是，人类工业革命以来二氧化碳等温室气体的排放导致了大量温室效应的发生，在国内大家对温室效应即二氧化碳排放导致极端气候的发生争议不太大，大家比较能接受。二氧化碳的排放是我们现在面临的一个问题，同时它的利用也是我们关注的非常重要的一点。同时真正从可持续发展的角度来讲，环境污染确实有很大一块是由于化石能源的利用所产生的。我们现在非常重视风能、光能等可再生能源的利用，如果利用这些可再生能源来摆脱对化石能源的依赖，建立绿色低碳的能源结构，不论从哪个角度来讲，都是一个非常好的推动力。

2020年9月22日，习近平主席在联合国大会上首次公开向世界宣布中国CO2排放2030年前达峰、2060年前实现碳中和。习总书记承诺一做出，全中国上下就有了明确的目标，我们科研工作者也要从这一角度来做一些能做的事情。在2020年双碳目标提出以后，中央政府各种工作尽快开展，2021年5月中央就成立了碳达峰碳中和工作领导小组，在党中央国务院的直接领导下，针对碳达峰碳中和提出了系统部署和体系构建，建立了“1+N”政策体系。

中国这个承诺是我国作为一个大国，积极应对国际气候变化，构建人类命运共同体的大国担当。不论是从世界的发展，还是国家转型的内在驱动力来讲，都有非常大的影响和推动作用。但是中国要实现“双碳”目标，跟欧美相比压力和挑战是更大的。同时，我国的发展阶段较欧美还有一定差距，这个背景下要达到双碳，压力更是巨大。同时还有发展到一定阶段以后，欧美对我国全方位的压制，还有俄乌战争、世界经济不景气等，都对我们提出了新的挑战。我们还需要关注的是中国较欧美使用碳基能源更多，特别是煤炭更多的一个国家，在这个背景下我们又要控排放又要保增长，还要转变高碳发展能源结构，这是非常大的一个问题所在。经过这几年不断的思考和发展，我国已经明确了：“双碳”不以牺牲经济发展，不以牺牲人民的生活水平作为代价，这是避免西方国家“双碳”陷阱的重要举措，有助于驱动低碳发展，构建我国能源战略安全，因此“双碳”还是一个国家安全问题。现在石油的进口已经占到了百分之六七十，欧美对我国能源垄断非常严重，但是如果利用可再生能源突破这一点，那么“双碳”就成了促进我国转型、国家能源安全的一个重要的助力和推手。

根据中国科学院的中国碳中和框架路线图，全世界大约排放400亿吨，中国大约占接近100亿吨，那么到2060年碳中和的时候，还有25-30亿吨排放的二氧化碳需要解决，那么剔除了大自然这种大规模的分配，中国科学院的这个报告认为：还有大约5亿吨需要人为干涉，不论用哪种方式，总之还有很大的一个数量，需要我们人为干涉去实现它的减排和增汇。这是现在二氧化碳减排增汇的一些主要的手段。

对于中国来说，煤炭发电占我国二氧化碳排放的百分之六十多，把这些排放的二氧化碳收集起来再利用起来是一个最好的选择。最早我们采用了地质封存的方式，地质封存是现在唯一一个可以大规模储存和减排二氧化碳的方式，可以百万吨千万吨甚至亿吨的规模。现在大家关注的是把地质封存和驱油结合起来，但有一个问题，中国缺少有效的可以储存石油的地方，这也是压力所在。还有一个最简单直接明了的就是生物利用——种树，中国还有很大空间，通过种树来解决二氧化碳的排放。但是种树也有个问题，有研究数据表明，木材成树以后降解周期是大约80年，就是说现在种的树把二氧化碳吸收了，80年以后又全放出来了。这一系列各种统计也罢，预计也罢，总是存在各种矛盾的地方，但是不论如何，种树可以吸收二氧化碳、绿化环境。还有通过工业利用把二氧化碳做成各种化学品，也是一种非常好的途径。

下面向大家汇报国内外的进展。国外最早提出来CCS，即二氧化碳捕集与存储，我国结合国内实际，2006年在北京香山会议首次提出CCUS技术，在CCS的基础上引入了CO2资源化利用环节。CCUS与CCS技术理念相同，CCS是CCUS的基础，CCUS是CCS的更高阶技术形态CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择，是碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段，是钢铁水泥等难以减排行业低碳转型的可行技术选择，与新能源耦合的负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障。中国的CCS及CCUS起步是在2010年以后。1972年美国建成Terrell项目，CO2捕集能力达40-50万吨/年，这是国外最早报道的大型CCUS项目；1982年美国俄克拉荷马州建成Enid项目，利用化肥厂产生的CO2进行油田驱油，CO2捕集能力达70万吨/年；1996年挪威建成世界首个将CO2注入到地下(盐水层)的项目，年封存CO2量近百万吨；2014年，加拿大SaskPower公司的Boundary Dam Power项目成为全球第一个成功应用于发电厂CO2捕集项目，2019年该项目捕集CO2达61.6万吨；2015年，加拿大Quest项目将合成原油制氢过程中产生的CO2成功注入咸水层封存，每年CO2捕集能力达100万吨/年。比利时根特钢铁厂启动旗舰碳捕集和利用项目“Steelanol”，该项目耗资2亿欧元，是欧洲钢铁行业的首个此类项目。他们利用其项目合作伙伴LanzaTech开发的碳回收技术，在CCUS工厂使用生物催化剂将炼钢过程中和废生物质中的富碳废气转化为乙醇，然后将其用作生产包括运输燃料、油漆、塑料、服装以及化妆品在内的各种化工产品的基础材料，支持化工行业的脱碳工作，该项目将使该工厂每年的碳排放量减少11万余吨。2022年8月，我国最大的碳捕集利用与封存全产业链示范基地、国内首个百万吨级CCUS项目“齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目”正式注气运行，标志着我国 CCUS 产业开始进入技术示范中后段成熟的商业化运营。该项目涵盖碳捕集、利用和封存3个环节。这是中国的第一个大规模工程，习总书记去视察过，在此基础上，现在中国规划的大约有5套以上的百万吨每年的封存驱油的过程。理论上来讲经过计算，比如说这个过程每年可减排CO2 100万吨，相当于植树近900万棵、近60万辆经济型轿车停开一年，预计未来15年可实现增油296.5万吨。

近年来，我国CCUS技术和项目稳步发展，但相较于庞大的碳排放总量，CCUS项目规模还比较小，部分关键核心技术与国际先进水平相比存在一定差距，特别是成本很高，限制了大规模商业化应用。随着“十四五”能源规划和“双碳”目标的制定与落实，CCUS技术的发展将迎来新的机遇与前景。中国已有的CCUS项目覆盖燃煤电厂、燃气电厂、水泥窑、化工厂、天然气处理等场景，已发展几十家规模较大的相关项目，且目前还在增长中，可以说中国的CCUS已经遍布全国，从沿海到内陆到新疆地区。如何把封存技术和驱油结合起来，这是我们更为关注的。根据IPCC在2005年对发电厂的CCUS技术投资进行过估算，应用CCUS技术使发电成本增加约0.01-0.05美元/度，但如果项目中包括CO2-EOR，会使CCUS造成的额外发电成本下降约0.01-0.02美元/度。因此二氧化碳强化的石油开采技术，是现在中国关注的一个重点，是现在唯一的既能减少二氧化碳，又能产生经济效益的商业化利用的过程。利用CO2-EOR技术能够将石油的开采率提高到60%-70%。全世界已经有上千个油田建立了CO2-EOR系统，每天向地下埋藏的CO2多达110万吨，帮助原油产量每天提高27万多桶。全球有9300亿吨以上的CO2可以通过这一途径被封存到油藏中，这个数值相当于2050年全球累计排放量的45％。这意味着，这一技术有助于实现未来的碳中和。还有一个问题，美国是利用CO2提高采油率项目最多的国家，1972年1月，世界上第一个商业化的CO2-EOR工程在美国德克萨斯州的凯利•斯奈德油田进行；2016年已经建有约3600英里CO2输运管线，每年输送约5000万吨CO2用于提高采收率，日增产超过28万桶原油。我国面临的挑战是油田和二氧化碳的排放源距离过大，当初有一个统计数据，二氧化碳的运输半径如果超过了300公里，可能就不合算了，这也是我国把二氧化碳排放和油田驱埋统筹考虑的原因之一。2017年，吉林油田建成CO2注气站3座，成功应用CCUS-EOR技术埋存CO2 110万吨，阶段埋存率保持在96%以上，保障了长岭高含CO2气田的清洁生产，累计增油10万吨。2030年项目结束后，可累计埋存CO2 400万吨、增油120万吨。随之而来的，二氧化碳埋进去以后能够封存多少年，埋进去以后会不会自然排放出来等，都是非常有挑战性的研究课题。

化工利用是化学研究领域需要关注的一个重点。CO2是温室气体，也是一种碳资源；是碳的最高氧化状态，也是能量最低的状态，化学稳定性好。因此其作为原料制备化学品时，必须有大量能量输入。正是由于CO2具有较高的热力学稳定性和动力学惰性，将其高效转化为高值化学品是一项极具挑战的任务。关注西部的能源，就是必须利用可再生的能源来转化二氧化碳，没有可再生的能源，二氧化碳的减排，比如减排1吨，可能同时多放出2吨，这就是一个无效的减排，变成化学品是没有意义的。西部是风电、光电的集中区域，如果把西部的绿色能源跟CO2利用结合起来，结合CCUS这些产业，将来可能实现合成气，每年数千万吨的规模，甲醇每年数亿吨的规模。

接下来向大家介绍二氧化碳化学利用的情况。CO2甲烷干重整技术制备合成气。中国有很多煤田，采煤过程中年产二氧化碳和甲烷，这两个都是温室气体，甲烷的温室效应是二氧化碳的25-30倍，如果把这两个结合起来变成了一氧化碳、氢气，那就是一个大规模的化工产品，这样就可以来减碳，同时实现它的资源化。中国最早的一个示范性研究是2017年6月21日，甲烷CO2自热重整制合成气装置在山西潞安集团煤制油基地启动全系统运行，并于7月10日实现满负荷生产。该技术源于中国科学院上海高等研究院、山西潞安矿业（集团）有限责任公司和荷兰壳牌石油工业公司联合启动的甲烷CO2重整项目。该装置日产低H2/CO摩尔比产品气高达20多万Nm3，日转化利用CO2高达60吨。2021年7月，东华科技与美国AP公司签订了CO2干重整项目工艺包开发及工程设计合同。该项目位于美国德克萨斯州，采用高潞空气的干重整技术，以CO2、天然气为原料生成富CO合成气。CO2加氢制甲醇是近年来大家广泛关注的，日本三井化学株式会社2009年建成全球首套100吨/年CO2加氢制甲醇中试装置并获得成功。冰岛碳循环利用公司，从工业排放物中提取CO2后合成甲醇，既能实现减排又能为企业带来创收新途径。该公司与加拿大联合投资的世界上第一座甲醇厂已在冰岛投产。该套CO2加氢制甲醇装置，2012年甲醇产能1300吨，2014年甲醇产能扩展到4000吨。碳循环国际公司的可再生甲醇面向欧洲市场，注册名称为Vulcanol，可同汽油混合用于生物燃油制品。2020年9月，由中国化学工程所属成达公司、海洋石油富岛公司、中国科学院上海高等研究院共同研发设计建设的全球首套5000吨/年CO2加氢制甲醇工业试验装置在海洋石油富岛有限公司实现稳定运行。2020年李灿院士及其团队的“液态阳光”甲醇技术在兰州新区试车成功，完成了全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范，迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的关键一步。CO2制烯烃燃料技术。2017年，中国科学院上海高等研究院孙予罕研究员研究团队在国际上率先实现了CO2直接加氢高选择性合成高异构烃（C5-C11）含量的汽油馏分，并构建了CO2加氢直接合成各种高值C2+烃的反应新平台。2021年，该团队成功实现了逆水煤气变换反应（RWGS）与费托合成反应的接力、功能匹配和优化，在较温和条件下实现了CO2加氢直接转化成航空燃料。2022年5月，中国科学技术大学曾杰教授研究团队实现了常压CO2加氢高选择性制备长链烯烃，其长链烯烃选择性高达66.9%，与高压反应条件下的结果（66.8%）相当。2022年6月，清华大学和久泰集团合作建设的世界首套万吨级CO2加氢制芳烃工业试验项目举行开工仪式，进一步推动CO2制备高端化学品的工业路线。CO2还能合成碳酸酯、聚碳酸酯。碳酸酯近几年从新能源汽车双碳目标提出以后，在中国发展非常快，在2020年以前全国的产量可能只有几万吨，现在已经在线超过百万吨了，某种程度上陷入了价格战和劣性竞争。去年有两套10万吨的运行了，一套是过程所的张锁江院士团队的，还有一套兰州化物所的，在苏州有一套10万吨的。

二氧化碳的电化学利用是现在大家最为关注的一个焦点，现在政府联合，中国的光伏发电成本至少公开宣称的已经降到了一毛钱一度电，现在它的成本已经某种程度上可以支撑它作为一种清洁能源支撑大化工的过程了。电化学CO2还原反应(CO2RR，Carbon Dioxide Reduction)是一项“碳中和”的变革性技术，已被认为是实现碳中和有前途的策略。不论是国内还是国外，均在这方面倾注了大量的研究力量。这是当前二氧化碳化学应用最为火热的一个研究领域。

在电化学之外，二氧化碳的生物利用现在是大家非常关注的。某种程度上生物利用比化学的电化学利用更具有优势。2020年3月，北京化工大学生命学院谭天伟院士课题组与软物质高精尖中心兼职教授Jens Nielsen院士研究团队共同提出第三代生物炼制概念：利用微生物细胞工厂进行CO2生物制造的多种技术。与第一代生物炼制和第二代生物炼制相比，第三代生物炼制技术极大地降低了原料加工成本，对环境更加友好，也更加契合绿色生态的理念。2022年美国西北大学研究人员对朗泽科技公司开发的自产乙醇梭菌进行基因改造，使其利用CO、H2、CO2等气体作为碳源，制造丙酮和异丙醇。生命周期分析发现，这一负碳发酵路线与传统工艺相比，可以减少160%的温室气体排放。目前该工艺已扩大到工业中试规模。我国比较有代表性的是中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队，在国际知名期刊《Science》上首次报告了从CO2合成人造淀粉的路线，也是首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，是人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破。团队成功对自然界中淀粉的60多步生物合成步骤进行重新设计，提出一条只需要11步的人工合成路线，转化效率相当于玉米淀粉生物合成效率的8.5倍，理论能量转化效率是玉米的3.5倍。这意味着，1立方米的生物反应器的年产淀粉量相当于5亩土地种植的玉米平均产量。近期该团队建立了CO2合成人造淀粉的吨级中试装置，正在进行测试，在理论、技术和工程上同步推进。

二氧化碳的矿化是现在除了封存以外，更为有效的一个大规模储存的方式。这一研究实际上中国已经研究了几十年了，现在做的最大的突破口CO2矿化利用是指利用富含钙、镁的大宗固体废弃物（如炼钢废渣、水泥窑灰、粉煤灰、磷石膏等）矿化CO2联产化工产品，在实现CO2减排的同时得到具有一定价值的无机化工产物，以废治废、提高CO2和固体废弃物资源化利用的经济性，是一种非常有前景的大规模固定CO2利用路线。目前已开发出基于氯化物的CO2矿物碳酸化反应技术、湿法矿物碳酸法技术、干法碳酸法技术以及生物碳酸法技术等。我国在钢渣、磷石膏矿化利用技术方面取得重要进展。这是全球首台套固废与CO2矿化综合利用项目一期二阶段10万吨示范产业化项目在包钢实施，可消耗10万吨固废，产生11万吨的产品，同时可反应消耗1万多吨CO2气体。未来可年消耗固废300万吨，减排CO2 120万吨，包钢利用美国哥伦比亚大学科研技术，对钢铁渣进行综合处理，最终形成高纯碳酸钙、含铁料等产品。其中，含铁料直接回收用于炼铁原料，高纯碳酸钙可用于造纸、塑料、涂料、橡胶等多个行业。消耗1吨钢渣可同时碳化封存0.21-0.4吨CO2，生产碳酸钙产品纯度达到99%以上。

二氧化碳还可以直接转化成各种低碳的分子。通过不断改善各种碳基能源利用过程的效率，提高能源利用率，同时就可以实现二氧化碳的减排。从长远来看，解决二氧化碳的排放还是要靠低碳的电力，比如说像2011年碳循环国际公司利用冰岛地热能的潜力，开始运营“George Olah可再生甲醇工厂”，现在每年设计生产4000吨甲醇，将作为未来阔能到4万吨/年的试点研究基地。原料由地热发电厂产生的CO2和地热发电厂5MW水电解产生的氢气组成，所有单元均连续运行。甲醇产品添加到汽油中，最多可替代冰岛2.5%的燃料消耗。与化石基燃料生产的甲醇相比，可再生能源生产的甲醇可将温室气体排放减少90%。地热能是一种非常有效的可再生的资源，但是中国不像冰岛这种小的国家。除尿素外，目前已商业化生产的最大规模CO2基产品是碳酸乙烯酯和水杨酸，但二者年产量均低于10万吨。未来将有可能到甲醚、乙醇、乙醛、烯烃等等，尽量利用可再生能源支撑二氧化碳做各种化学品。现在比较认可的大规模过程就是生物质的原料，种出来的树不是让它烧掉，也不需要它自己腐败掉，而是直接把物质做成化学品，比如巴西世界第一大生物制乙醇产区，甘蔗作原料，满足巴西总能源需求的18%（石油为37%）。废气的利用，现在中国的各种化工行业有大量的像氢气、一氧化碳、二氧化碳等等，现在烧了以后就排放掉了，把这些用起来也是非常有效的一个手段。还有化工产品和材料的可回收利用，是现在非常火热的一个领域，如聚乙烯聚、丙烯降解得到相应的乙烯、丙烯等等。如果把这些循环起来，中国每年的排放量大约也在几亿吨，这些如果利用起来，就可以减少几亿吨的CO2排放。

下面向大家介绍一下我国“双碳”链路布局的一些科技需求。我国“双碳”确定了大的方案，从基础研究到技术创新，再到产业应用来支撑我国的碳达峰碳中和，没有科技的发展，“双碳”目标是实现不了的。同时建立了全方位的研究体系，从大的来讲，像气候变化成因与影响，碳循环与生态系统中二氧化碳机制工程机理，还有光伏发电新时期的二氧化碳的高质化利用以及矿化，还有能源工业等等系统的这种共性技术的研发。具体的在前面我向大家汇报到，像电、光解水制氢、利用电力合成燃料和化学品，CO2制备淀粉、乳酸等化学品，水、CO2和氮气等为原料直接高效制备甲醇等绿色可再生燃料技术，高效、低成本的空气中CO2直接捕集技术，CO2矿化封存机理研究，探索矿化新工艺，石油化工、煤化工等高排放化工生产流程，研发原有炼制短流程技术、多能耦合过程技术，研发绿色生物化学技术和智能化低碳升级改造技术，推广应用原油直接裂解制乙烯技术，合成气一步法制烯烃、乙醇技术。中国科学院在国家建立“双碳”研究的同时，更早启动了8大行动，18项重点任务等，建立绿色低碳循环发展的经济体系，清洁低碳安全高效的能源体系等这些技术。明确提出2025年，突破若干支撑碳达峰的关键技术，促进经济社会低碳绿色转型，探索支撑碳中和目标的颠覆性、变革性技术；2030年，支撑碳达峰的关键技术达到国际先进水平，支撑碳中和的科学原理和关键技术取得重大突破；2060年，突破一批原创性、颠覆性技术并应用，支撑碳中和目标实现，为实现碳中和提供科学基础、关键技术和系统解决方案。

非常重要的一点是：要想实现以上目标，唯一的、真正的途径就是清洁能源。我国太阳能、风能利用的区域全在西北，包括西藏地区，所以要解决中国的“双碳”问题，必须依靠西部的可再生能源，但是又面临“发出的电怎么办”的问题，。现在风力发电、光伏发电、气电已经超过了一半以上了，建起来发了再放掉，到底怎么解决这个问题。如果真正能实现西电东输，把这些全都输到东边去，这应该是一个非常好的途径。还有专家提出，在西部把清洁能源发的电变成化学品运到东部来用，提出了各种方案，但是不论如何，西部的清洁能源是解决中国双碳最重要的根本，这也是中国的“双碳”和西部的关系。考虑甘肃、青海两个省“双碳”科技需求，甘肃省人民政府于2022年6月印发了《甘肃省碳达峰实施方案》，将碳达峰贯穿于全省经济社会发展全过程和各方面，重点实施“碳达峰十大行动”，实际上甘肃省的规划完全是基于甘肃省的产业结构提出来的。个人认为甘肃省的产业和生态所产生的绿电是不可能消耗完的，那么就必须将甘肃产出的绿色能源卖给东部，甘肃省产生这种效益同时支撑甘肃省的各项工业的低碳化，这才是甘肃省的双碳应该有的思考。当下我们的工业企业实际上不是碳减排，也不是清洁能源利用，而是停留在如何提高效率，减少二氧化碳排放的这么一个规划。青海省绿氢产业在某种程度上比甘肃还发展早一些，现在青海省已经建立了利用可再生的能源10万吨级的绿氢产业的实际运行。青海这几年发展了很多这种化工产业，青海比甘肃有一个优势：甘肃的这些化工产业都是建国的时候建立起来的，产业体系重构需要的资本、突破的阻力都远远的大于青海；而青海就是全新的构建规划，所以从规划上来看，青海省双碳或者绿色能源要比甘肃做的要好一些。

这是技术发展路线图。2025年突破支撑碳达峰的低碳绿色关键技术，探索支撑碳中和目标的颠覆性、变革性技术(CCUS技术)；2030年支撑碳达峰的关键技术达到国际先进水平；支撑碳中和的科学原理和关键技术取得重大突破；2060年突破一批原创性、颠覆性技术并应用，支撑碳中和目标实现。中国科学院面临着非常大的上升压力，国家队能不能提出原创性的突破，能不能发展一些颠覆性的技术，这也是全院科研人员需要思考的问题。

个人认为现在最大的问题还是如何打破传统的已经形成的全产业链条，通过可再生的能源来实现产业的构建。一旦实现这一点，我们整个的体系就打通了。从中国来讲，自上而下的强有力的政府推进，是实现零突破的关键。还有一点就是原创性技术的不足，欧美大概从1970年左右已经全力开始研究这些，并且资本允许进行各种实验，1970年左右就开始几十万吨规模的实验了，我们现在才开始，这方面我们比他们晚走了50年的路径，我们又要新生产20-30年，把他们走了70-80年的路给补过来，这是最大的一个问题。还有中国的能源结构问题，能源结构决定高碳能源利用占比较大。同时，科技创新永远是第一位的，政府要推进新质生产力构建，必须有科技创新的成果。还有利用可再生的氢能、风能、太阳能、地热等，引入这些可再生的能源体系，加入现有的碳基能源产业来实现低碳化调整，从产业工业园区的整体构建方面实现零碳排放的构建。

非常高兴重回母校来做报告，这是我自从2004年冬天博士毕业离开兰化所后第四次回到所里做报告，非常高兴与激动。首先，在座的都是科学院的老科技工作者，好多老师当年给我带过课，我回来以后非常高兴，看到好多熟悉的面孔，在此向老科技工作者表达我的诚挚问候，再次感谢老科协邀请我过来给大家讲“双碳”的一些工作。报告的题目是“分子催化剂光催化水分解以及二氧化碳还原研究”，刚才石峰副所长主要讲了“双碳”政策方面的内容，即宏观方面如何进行“双碳”。我的陈述相对来说更偏一些化学味道，从化学角度思考通过创新研究来解决双碳问题。

报告主要分为背景介绍、均相多酸分子水分解催化体系、多酸分子多相化水分解体系和分子催化二氧化碳还原体系四个方面。光催化技术是解决2030年碳达峰和2060年碳中和最有前景的新技术之一，它使用了太阳光。1972年日本东京大学藤岛与本多教授在Nature杂志上发表了二氧化钛电极分解水制氢的论文。目前为止，由于驱动力太小，光解水一直没有得到突破，它驱动力还是非常不够的，但是它的确利用了太阳的能量。现在一般来要想解决双碳，从源头上不使用CO2，就需要想办法用绿氢来代替二氧化碳。其中一条有效的途径就是水分解来制备氢气，不管是光催化、光电催化、电催化还是热催化水分解。另外一条路径就是直接使用CO2作为原料，包括物理方法、化学方法，刚才石老师也详细进行了介绍。我主要从将水作为原料来制备绿氢实现“双碳”任务，或直接使用CO2作为原料，在光催化条件下或光电条件下实现它的转化，制备一些有用的化学品。在光催化技术作用之下，水可以作为原料，分解产生氧气和氢气；另外一点，使用二氧化碳作为原料的，把二氧化碳变成一氧化碳、甲酸、甲醇，还有甲烷，如果催化剂性能非常好，它可以得到C2+产物，比如乙烯、丙烯、丁烯，还有乙醇、丙酮、乙醛等，相对来说如果通过光催化和光电催化把CO2变成C2+产物，难度还是比较大的。电催化如果使用铜催化剂把二氧化碳变成C2产物和C3产物相对容易一些。根据光催化分解水以及二氧化碳还原示意图，把水或二氧化碳注入反应瓶，通过粉体催化体系，水分解可以生成氧气、氢气；对于二氧化碳来说，它得到了一氧化碳、甲烷或者是C2+、C3等，气相或者液相产物。因为纯光催化驱动力弱，所以后来许多学者提出了光电催化体系，又加光又加电，它使用的电要比纯粹的电催化要少，它又赋予了光催化的一个特点，即光催化过程电子容易复合，这导致它催化效率不高，从而制约了光催化，这也是自从1972年那篇Nature至今52年过去了，光催化一直没有大规模产业化发展的瓶颈。后来有学者提出，在光催化体系中加两个电极，这个过程使用的电要比单纯的电催化少许多，所以光电催化水分解二氧化碳还原体系现在如火如荼，是一个非常有前景的方向。

道法自然，超越自然。光电分解水的研究受到了自然界的启发，它的理念来自于天然的光合作用，绿色植物在光系统Ⅱ（PSⅡ）里将水裂解，放出氧气。许多学者对光系统Ⅱ存在误解:光系统Ⅰ只有电子和质子的传导，光系统Ⅱ里面的Mn4CaO5色素可以把水生成氧气，同时产生质子和电子，然后传导到光系统Ⅰ里面，产生大量的质子，再传导到暗反应里面实现卡尔文循环，把二氧化碳还原发生暗反应得到糖类。受自然界的启发，人工光合作用即人工的一些催化剂通过结构体系功能模拟实现高效低成本光合作用制备碳能燃料。自然界的光，二氧化碳和水，在植物叶绿素的作用下，它可以把二氧化碳和水变为葡萄糖、氧气。水分解的ΔG0高达237KJ/mol。受此启发，学者们开展人工光合成的水分解，相当于把水裂解生成氢气和氧气。光催化分解水是一个多电子转移的能量爬坡过程，是动力学和热力学上都比较难以实现的反应，因此被喻为“科学界的哥德巴赫猜想”。

光催化分解水反应非常简单，但是这么多年一直没有实现，它背后蕴含了许多挑战。为了把这个问题简化，许多学者提出了两个半反应，一个是水的氧化半反应，另一个是水的还原半反应。相比产氢半反应，产氧半反应所经历的四电子、四质子转移过程更加复杂与困难，水氧化反应速率是制约水全分解的瓶颈。开发高效、稳定廉价的水氧化催化剂是解决全分解水的关键与核心。

我在这里把催化体系稍作讲解，做一下科普。水的氧化催化体系主要分为多相催化体系和均相催化体系，均相催化体系就是分子催化体系。多相催化体系包括半导体粉体光催化体系，染料敏化粉体光催化水氧化体系，电催化水氧化体系是产业化前景最好的体系，还有光电催化水氧化体系和化学驱动（暗反应，热反应）水氧化体系；在均相体系即分子催化剂体系方面，兰州化物所做了许多工作，外界评价道，中国科学院大连化学物理研究所以多相催化见长，中国科学院兰州化学物理研究所是以均相催化剂见长。水氧化包括染料敏化光催化水氧化体系、化学驱动（暗反应，热反应）水氧化、电催化水氧化，许多学者在这方面成果显著。

自然界 OEC TOF-400s-1，而目前所造的人工光合成 TOF < 20 s-1，因此开发高效的人工光合作用水氧化催化剂面临巨大挑战与机遇。目前水的氧化主要集中于锰、铁、钴、镍、铜，这是五个廉价金属，还有两种贵金属钌铱催化剂效果比较好，但它价格贵。总之，金属配合物水氧化催化剂存在有机配体氧化分解的可能，为了解决配合物分子催化剂氧化稳定性较差的缺点，需要开发设计新型高效、稳定、结构明确的分子水氧化催化剂。

根据自然界光系统Ⅱ产氧结构示意图，植物的叶绿素上有一个类囊体膜，类囊体膜上可以剥离光系统Ⅱ产氧中心，其核心结构就是Mn4CaO5。自然界的水的氧化，二氧化碳和水作用生成葡萄糖和氧气，在内囊体膜上发生O-O键的形成。学术界普遍认为光系统Ⅱ里面发生水的氧化，产生大量的质子和电子，通过各种各样的蛋白通道，在光系统Ⅰ里发生质子的还原，把这NADP+还原成NADPH。暗反应过程中的三磷酸腺苷和蛋白质参与卡尔文循环，二氧化碳和质子在暗反应过程中参与卡尔文循环，最终把二氧化碳固定生成葡萄糖。光系统Ⅰ中不会发生水还原，也不会发生二氧化碳还原。

接着是介绍Mn4CaO5。下面是一个光系统Ⅱ放氧中心的结构示意图。光系统Ⅱ中的蛋白质结构非常大，具有高达70万的分子量，其中最核心部分就是析氧活性中心Mn4CaO5，该结构是一个畸变的立方烷。在Mn4CaO5的催化作用下实现光系统Ⅱ的放氧过程。在此循环中，一开始的Mn4CaO5中含有三个Mn3+和一个Mn4+，处于S0态，在水的作用下失去一个质子和电子，被氧化成 S1态，变成两个Mn4+与两个Mn3+。再下一次光照作用下又就再次放出一个质子和一个电子变为S2态，接着继续转化成S3态，即4个Mn4+。最后在第四次光照下变成S4态，但是该结构到目前为止尚未确认。

光系统二中的色素P680能够吸收680nm的光，它在光照作用下变为激发态的P680自由基，紧接着失去一个e-后变成P680自由基正离子（即P680*+），该自由基正离子具有很强的氧化性，能将 So态中的三个Mn3+和一个Mn4+依次夺走4个e-转变为S4态，然后S4态再和水发生亲核进攻形成O--O键，形成氧气。那么何为该析氧过程的驱动力呢？在内囊体里还存在一个能吸收700nm光的P700色素，该色素存在于光系统Ⅰ。P700在光的激发下会变成P700自由基， P700自由基在NADP+的驱动下失去电子部分成为P700自由基正离子（即P700*+），该自由基正离子会源源不断地夺取P680自由基的电子，通过蛋白质电子传递链夺走。光系统Ⅰ和光系统Ⅱ必须同时工作，通过驱动力进行电子间的传递、自由基的相互变化、Mn4CaO5的kok循环，最后把二氧化碳还原得到葡萄糖。

鉴于光合作用中存在的两个光反应和关键的析氧活性中心Mn4CaO5，化学工作者从结构与功能上模拟光系统Ⅱ的析氧活性中心。现任西湖大学人工光合中心主任的孙立成院士，把钌基的水氧化催化剂推向了极致。2012年在Nature Chemistry报道了迄今为止效率最好的两个单钌的分子水氧化催化自由基。之后报道了双锰的水氧化催化剂，还有Co4O4含有立方烷结构的配合物，包括2012年的Nature Chemistry报道了含铜的均相电催化水氧化催化剂，接着是美国新泽西州立大学克里斯在2010年前报道了一个含Fe的催化剂。催化过程中会产生各种各样的的含Cu、Mn、Co的纳米小颗粒，这些小颗粒才是真正的水氧化催化剂，以上列举的均相催化剂均不稳定，多数催化剂在催化过程中会分解。

这些配合物分子催化剂在水氧化过程中它氧化稳定性难以控制，实际上会分解成一些如CoOx非均相催化剂。上述配合物水氧化催化剂存在有机配体氧化分解的可能，为了解决其稳定性差的缺点，需要开发设计高效、稳定、结构明确的分子水氧化催化剂。

多酸是由高氧化态的前过渡金属的含氧酸根离子在溶液中脱水缩合而成的金属-氧簇化合物，主要分为Keggin、Dawson、Silverton、Anderson、Lindqvist、Waugh 6大类。最具代表性的均相分子水氧化催化剂——[Co4(H2O)2(B-α-PW9O34)2]10-，由于分子中的W元素处于高价态，因此稳定性远远大于其他无机配合物。多金属氧酸盐作为水氧化催化剂具有如下优点：氧化还原性以及极性可以调变，改变分子的组成和结构可以调变其催化性能，是一个全无机配合物，金属元素处于最高价态，具有很好的氧化稳定性。

我们对Keggin型催化剂进行了深入研究，尝试合成单独取代的多酸结构并测试了其催化效果。合成了中心是Co3+，外围是Co2+的均相水氧化分子催化剂。系列分子催化剂包括混合配位的Co，中心原子是饱和的Co3+、Co2+，还有无过渡金属取代的中心是Si或P饱和Keggin型配合物。该体系的催化过程如下：[Ru(bpy)3]2+是一个光敏剂，类似于 P680色素， 最大吸收波长为450nm。[Ru(bpy)3]2+在光的作用下之变为激发态，体系中的Na2S2O8会可以把它氧化为[Ru(bpy)3]3+，它的功能类似于光系统Ⅱ中的p680自由基正离子，具有很强的氧化性，可以把Co2+依次夺走四个e-发生水氧化成为高价态的钴，高价态的钴具有很强的亲核性与水反应释放出氧气。

我们课题组合成了系列含有不同Co原子个数的均相催化剂，首次发现了Fe11多酸可以作为产氢分子催化剂实现水的分解，该过程处在中性环境下，没有使用任何铂等助催化剂，没有使用任何光敏剂还可以催化水还原产氢气。我们还报道了第一例含铜多酸分子水氧化催化剂[Cu5(OH)4(H2O)2(A-α-SiW9O33)2]10-，还有氧气收率最高的含镍多酸水氧化催化剂[{β-SiNi2W10O36(OH)2(H2O)}2]12-等基于丰产金属的水氧化催化剂。

均相光敏剂[Ru(bpy)3]Cl2 不稳定，多相半导体水氧化催化剂表面催化反应效率低。为了解决上述问题，我们使用半导体作为捕光材料，多酸分子作为助催化剂，构筑了新型高效的光催化水氧化反应体系。对于水还原体系分为多相体系，包括半导体光催化水分解还原体系、染料敏化光催化水还原体系、电催化水还原体系以及光电催化水还原体系、化学驱动水还原体系。均相体系包括染料敏化光催化水还原体系、化学驱动（暗反应，热反应）水还原以及电催化水还原体系。我们课题组基于光还原体系和光电还原体系中存在的不同缺点，使用多酸作为助催化剂，半导体作为捕光材料，实现了水分解产氢、产氧。

对于二氧化碳还原体系，二氧化碳还原体系主要包括电催化、电促催酶催化体系、热催化体系，还有光电催化体系、光催化体系，其中光催化体系效率最差，催化过程中的电荷分离驱动力小，很快就被复合，效率低。二氧化碳还原体系需要想办法提高太阳光的吸收，提升电荷分离与转移的效率，需要提升酶催化反应效率。方法分别是半导体进行掺杂来产生氧空位、构造异质结构以及引入助催化剂形成官能团等。我们构建了具有 {SiW9Ni4} 多氧钨酸盐节点的金属-有机笼，实现了光催化二氧化碳还原。我们探究了普鲁士蓝类似物作为催化剂用于光催化二氧化碳还原体系。