包信和：我的“能源梦”

“科学与社会”研讨课是中国科大新生的“开学第一课”，也是“科学第一课”。希望这门引领求学方向、启迪生命智慧的课程，不仅可以持续地影响中国科大一代又一代的学子，而且还能惠及全国的大学生，乃至更广泛的读者群体，让他们也能在人格、人生发展的关键阶段分享到这门课的精华。

包信和院士的“开学第一课”，作为《科学第一课》的第一篇文章，与大家分享了中国科大的发展简史、新时代大学的责任、影响未来世界的创新科技、我的“能源梦”、创新的本意等精彩内容。

包信和   

中国科学院院士  中国科学技术大学校长

1959年8月生于江苏省。1987年毕业于复旦大学化学系，获理学博士学位；1989年获“德国洪堡研究基金”资助，在德国马普协会Fritz-Haber研究所进行合作研究。1995年回国，任中国科学院大连化学物理研究所研究员。 2000—2007年任中国科学院大连化学物理研究所所长，2009—2014年任中国科学院沈阳分院院长。2015年7月至2017年6月任复旦大学常务副校长，2017年6月起任中国科学技术大学校长。中国科学院院士、发展中国家科学院院士、英国皇家化学会荣誉会士、全国人民代表大会常务委员会委员。

主要从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究，以及新型催化过程和新催化剂的研制和开发工作。在国际上首次提出了“纳米限域催化”概念，并在天然气（甲烷）直接转化制高值化学品和煤基合成气直接制低碳烯烃等研究领域取得重要研究进展。先后在Science等SCI刊物上发表学术论文650余篇。曾荣获国家自然科学奖二等奖、何梁何利“科学与技术进步奖”、周光召基金会基础科学奖、中国科学院杰出成就奖，以及国际天然气转化杰出成就奖和德国催化协会催化成就奖，2018年度陈嘉庚化学科学奖等诸多奖项。

我一直是做能源研究的，化石能源清洁利用是我的一个梦想。

能源对人类发展非常重要，小到我们每天用的手机、室内照明、家用电器、电子设备，大到飞机发动机，卫星上天的火箭推进器，都需要能源，所以能源在方方面面都是非常重要的。目前，世界总体的能源格局大概30%以内是煤，30%左右是石油，20%~30%是天然气，剩下的是其他能源和新能源。

我们中国的能源格局和世界的不一样，当今，中国能源中的近70%还是煤，20%左右是石油，天然气只占1%~2%。世界上每个国家都有各自的能源发展战略，所以我们不能盲目跟美国、跟欧洲比，因为他们的资源结构同我们中国完全不一样，美国现在大量使用天然气、页岩气和页岩油，而欧洲主要用可再生能源，比如德国人搞风电和光电，法国搞核能，还有南美的巴西是在搞生物质能源。

那么，我们中国到底要怎么做呢？首先，我们看看中国的能源现状。我们中国的能源有几大问题，一个是我们能源供给不足，特别是液体能源供给不足。中国现在一年消耗的石油大概是5.5亿吨左右，我们自己仅能开采2亿吨左右，也就是说近65%的石油要靠进口，相当于我们开车加1升油，里面近0.65升是从国外进口的。那么美国的石油进口比例是多少呢？以前也就是30%多。中国的石油进口量是每年3亿多吨，如果用10万吨级的船舶运输，那么就是平均每天要有十几艘油轮把石油运来中国。

所以说，石油是人类社会生产和生活不可缺少的能源，是关乎我国经济命脉的战略资源，在国际石油资源争夺日趋激烈、国内石油资源储藏有限的形势下，开发新能源、解决我国能源问题是我国科学家们的使命。

下面，我们再看看如何把油变成化学品。原油要经过炼制，转化成汽油、柴油以及其他化学品。我先要问问大家了，谁能讲一讲汽油和柴油有什么不同？（学生A说：汽油和柴油的碳链长短不一样。）有没有人能讲清楚汽油这个碳链短到什么程度？你这个基本意思讲到了，但还不精确。（学生B说：汽油一般是5~10个碳，柴油一般是11~25个碳。）谁能讲得更精确一点？（学生C说：汽油是8~10个碳，柴油是12~16个碳。）这个答案就基本上对了。开车加油的时候，加油站有95号汽油和92号汽油的标志。这个92或95号叫辛烷值，是指汽油抵抗震爆的指标。辛烷就是具有8个碳的烷烃。而对柴油而言相似的指标就叫十六烷值。十六烷，顾名思义就是说具有16 个碳的烷烃。

汽油、柴油是怎么来的呢？原油经过蒸馏处理和催化裂解，按照碳链的长短被分成不同的产物，2个碳原子的就是乙烯，乙烯是非常重要的基础化工原料；3~4 个碳原子的就是我们家里用的液化气；8个碳原子左右的产物就是汽油；16个碳原子左右的产物是柴油等。我们中国的石油储量很少，人均只有大概2吨左右，一辆车子如果行驶里程多一些的话，一年就要用掉几吨油。我们中国储量比较多的是煤。

接下来的问题就是有没有可能把煤变成我们短缺的油呢？煤的主要元素是碳，油的主要元素也是碳，有没有办法可以把煤变成我们需要的化工产品？我们化学家就做了这件事，先把煤变成合成气，再把合成气催化合成汽油、柴油、芳烃等。除此以外，天然气，还有地球上大量生长的生物质，以后也是生产汽油、柴油、芳烃的原料。未来我们还能把二氧化碳也变成汽油、柴油、芳烃等。我们中国科学院的一个研究所已经在宁夏的宁东地区建造了年产400万吨油的装置。我们现在的年进口量是3亿吨，如果能够建造30~35个400万吨油的装置，就可以替代一半的进口。总书记在2016年7月19日也亲自去视察了宁东的装置。

第二件重要的事情就是生产乙烯。现在乙烯的生产都是以石脑油为原料，它是石油蒸馏产生的介于汽油和柴油之间的馏分。通过催化裂解把石脑油的碳链“剪短”，“剪”成2个碳，就是我们所需要的乙烯。我之前所在的大连化学物理研究所就一直在做煤基合成气转化制烯烃技术的研究，以替代石脑油为原料生产乙烯的路线。为什么要做这方面的研究呢？大家知道，要生产1吨乙烯，需要用到3吨石脑油原料；而炼制3吨石脑油需要10吨的原油，也就是说10吨的原油才能炼出1吨乙烯（当然，不是说10吨原油就炼1吨乙烯，它还能炼出其他产品，而是需要这么大的炼油能力）。采用大连化学物理研究所的技术，未来就可以实现以煤为原料生产烯烃，按照现在的生产能力，用煤生产1600万吨的乙烯相当于替代1.6亿吨的原油炼制能力获得的石脑油。

煤制烯烃过程有一个很大的问题，就是需要加氢。那么多氢从哪儿来呢？现在的技术是通过一氧化碳与水反应，从水中置换出氢，同时一氧化碳转化为二氧化碳。就这一部分来说，生产1吨的乙烯，大概需要消耗3吨水，放出6吨二氧化碳。生产其他的化学品，比如甲醇，也都会放出大量二氧化碳。大家都知道煤化工的一个问题是二氧化碳排放，二氧化碳是温室气体，大气中二氧化碳含量的提高加剧了温室效应，是造成全球气候变暖的主要原因。煤化工的另一个问题就是耗水。这两个问题不解决，就会破坏环境、破坏生态，这样发展下去国际社会也不会同意，中国的煤化工就走不远。

那么，我们能不能不耗水来做煤转化呢？这也是我一直在做的研究，下面我就来讲一讲。

大家一讲到煤化工，就会提到两个非常重要的德国人，Fischer和Tropsch。他们在20世纪20年代就发明了一个把煤变成油的工艺——费托（F-T）合成（图1），此后“费托合成”就变成了这一领域的“圣经”。说到这里还不得不说德国人在20世纪前半叶在科学上确实取得了非常多的成就，比如普朗克提出了量子理论，爱因斯坦提出了相对论，哈伯发明了合成氨，纳塔等发明了聚乙烯等，如今德国在新技术方面的创新报道少了，现在世界技术创新的中心已经慢慢移到美国去了，那么从我们发展的趋势来看，未来这个中心也完全有可能迁移到我们中国。我希望你们这代人能够参与其中。

还是回过头来讲催化，催化是一项非常神奇的研究，例如，都是以一氧化碳和氢作为原料，用不同的金属和化合物作催化剂，得到的产物却完全不一样。采用基本一致的反应条件，30个大气压，200~300°C，如果把催化剂稍微变一变，甚至不改变催化剂，只是把组分的含量稍微改变，添加剂稍微改变，得到的产物也会完全都不一样，这就是催化的魅力所在（图2）。

那么“费托合成”究竟是个什么过程呢？我简要讲一下：采用金属催化剂，气相中的一氧化碳吸附在催化剂金属表面上后，这个碳原子和氧原子中间的键就“剪”开了，在表面形成氧原子和碳原子；当氢也吸附在催化剂金属表面上时，解离成两个氢原子，解离的氢原子与氧原子反应生成一个水分子，并且从催化剂表面释放出去；在这一过程中，从水中置换出的宝贵氢又与氧原子反应生成了水，也就是说这一过程需要一个水循环；另一个过程是碳碳的偶联反应，在费托反应中的碳碳偶联遵循统计规律，所得到的产物有两个碳、三个碳的烃，还有碳链更长的，这个反应产物的分布被称为ASF分布，产物中既有乙烯、丙烯，也有汽油、柴油，很难得到高选择性的目的产品。这个技术经过了90多年的发展，以制低碳烃（C₂~C₄）为例，目前选择性最高不会超过58%。换言之，如果你想生产低碳烯烃，原料气100个碳原子只有20个碳原子能够变成我们需要的产物，所以说这个反应的选择性非常差（图3）。

我在大连的研究组一直在做煤基合成气制烯烃的工作，到现在差不多有十年时间了。最近，我们发明了一种新的催化剂，应该说是一个完全创新的催化剂体系。我们把氧化物和分子筛耦合起来用到了合成气制烯烃的反应中，结果发现，产物基本上都是C₂~C₄的烃类（包括烷烃和烯烃），选择性可以达到90%以上（图4）。

前面我讲到，费托合成的选择性最高是58%，而我们的技术远远超过了这个数值，并且催化剂也非常稳定，这是世界上从来没有报道过的。我们做了大量的基础研究工作，现在已经基本上把这个反应的机理搞清楚了。催化剂中的部分还原的金属氧化物起了非常重要的作用，一氧化碳在氧化物的表面缺陷位活化，解离成表面氧原子和碳原子，由于氢分子不容易在氧化物表面吸附和解离，这样一氧化碳解离形成的表面氧原子与气相或吸附态的（还不是非常肯定）一氧化碳反应，生成二氧化碳离开表面，同时，气相氢分子（还未获得确切的实验证据）与表面碳原子反应生成烃类中间体（初步实验证明是OC—CH₂类烯酮），这类中间体不能在氧化物表面稳定存在，生成后即从氧化物表面脱附，进入偶合在一起的分子筛孔道中。利用分子筛孔道限域和择形特性，我们就可以高选择性地制备出我们所需要的产物。使用的分子筛孔道大，就容易形成大分子的产物，反之孔道小就会得到小分子的产物，也就是通过控制分子筛的孔道大小和酸性，就能控制反应产物的分布（图5）。

我们的实验证明原料中的100份碳，有43份会生成我们希望的低碳烯烃目标产物。与费托合成相比，这个数值是非常有优势的。德国人所发明的费托合成是用铁或者钴（氧化物或碳化物）作催化剂，在这类催化剂的表面既发生一氧化碳的活化，又要发生碳链增长的偶合反应，有点像小孩子玩跷跷板游戏，一侧是转化率，一侧是选择性，反应的转化率高了，选择性就降低了，二者不能兼得。而我们发明的复合催化剂体系，把一氧化碳活化和碳链增长的反应分开，就可以实现同时提高选择性和转化率（图6），同时，由于采用另一个CO分子消除CO解离后留在催化剂表面的氧原子，在CO₂排放量与F-T过程相同时，我们这个过程不需要水循环，也就是说反应过程不需要水参与（当然反应工艺中还需要水进行包括冷却在内的不同环节）。2016年，我们的这项研究工作发表在Science上以后，得到了国内外学术界和产业界的广泛关注，专家评论认为，我们发明的这一方法（我们命名为Ox-Zeo路线）未来很有可能使整个一碳相关的化学工业发生改变（图7）。

目前，一碳化学中一个关键过程煤转化制烯烃的技术有三条线路：一是通过甲醇的方法，一是用费托的方法，还有就是我们的这个直接转化的方法。

我们这个方法在节水和提高产品选择性方面有明显优势，那么大家可能马上就会问，为什么说这个过程可以不用水或者少用水呢？大家知道，煤化工中煤首先要经过气化制成合成气，变成了氢气和一氧化碳，一般说来，氢气和一氧化碳的比例是0.5∶1。我们要从1个一氧化碳和0.5个氢气出发，想办法得到一个碳原子和两个氢原子组成的结构，使它们进一步偶联起来就是汽油、柴油，就要提高体系氢碳比，要补进氢气。费托合成采用的方法是加入水，水与一氧化碳反应生成氢和二氧化碳，而我们的做法是让一个一氧化碳分子和另外一个一氧化碳分子反应，得到一个碳原子和一个二氧化碳分子，一个碳原子加一个氢分子就得到需要的中间体（图8）。这样，这个反应过程本身就具有不耗水的特征。还有，我们这个工作得到了国家领导人的批示，目前我们正在积极推进这个技术的放大。

讲到这里，就又回到了科学家的责任和义务这个主题。我们是从事能源研究的，我们的研究要解决人类未来的能源问题。我们现在的这项把煤通过合成气直接转化为烯烃和液体燃料的方法，与传统的方法相比虽然很有优势，但这个过程还是会产生二氧化碳，所以我们希望未来用光电、风电产生的电来电解水产生氢气，用氢气还原二氧化碳，使二氧化碳转化为我们所需要的产物。如果这条路能走通的话，那么我们就能够实现二氧化碳的零排放，同时也将实现全碳的利用。我相信未来这个目标一定能实现的，可以说这是一项变革性的技术。我现在正在就该技术跟科技部在沟通，希望能够在国家层面上立项来做这项研究。

中国科学院院长白春礼院士题词

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本文摘编自包信和院士在中国科大演讲的“开学第一课”部分内容，该文章刊发在潘建伟院士主编的《科学第一课》中。

科学第一课

潘建伟主编

责任编辑：翁靖一  顾英利

北京：科学出版社

ISBN：978-7-03-058491-5

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“科学与社会”研讨课是中国科大新生的“开学第一课”，也是“科学第一课”。《科学第一课》汇集了中国科大“科学与社会”研讨课开设以来近年的演讲报告精华内容，涉及能源、化学、新材料、生命科学、量子通信、医学科学、地球科学、信息科学及人工智能等前沿科技和院士专家们的人生感悟，并对科学领域的发展趋势和科技进步在人类社会发展中的作用等方面也作了详细阐述，可以很好地拓宽读者的眼界和格局，帮助广大青年了解未来科学的发展趋势、人类可持续发展所面临的问题与挑战等，并从中感悟科技发展的历史与作用，极大地增强读者的责任感和使命感，有助于新时代青年树立正确的人生目标和发展方向。

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（本期编辑：翁靖一  安 静）

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