包信和，中国科学技术大学校长、中国科学院院士。

今天我想从科技工作者的角度跟大家讨论一下，关于经济与生态环境的协调发展。

好多环境问题都是和能源有关系的，能源又离不开化学。那么我们现在从化学家的角度来看，未来的能源世界会是一个什么样子呢？在绿色可持续发展当中，化学到底能做些什么事？这里面最重要的一件事情就是催化科学。我们都是搞化学的，我们很自豪。我们一直都在讲化学是中心科学，我们生活在一个化学时代。

在整个能源环境当中，实际上我们化学一直在做的就是这三个元素：一个是碳，一个是氢，一个是氧。碳跟氧结合，氧多了就是二氧化碳；碳跟氢结合起来就是烃类，烃类就是我们的油品，我们的化学品；氢跟氧结合起来就是水，或者就是其它一个水，我们化学基本上就是做这样一件事儿。

催化是化学当中的一个非常重要的领域。大家可以看到，不管是电解水也好，转化反应也好，处理二氧化碳也好，没有哪一件事情会离开催化这件事。

催化如何促进绿色经济的发展，要聚焦在这三个方面：一个就是化石资源的优化利用，就是我怎么把化石资源利用好；第二个事情就是我们有没有可能把二氧化碳利用起来；第三个事情，也是现在大家比较关心的事情，就是氢能做燃料电池，我们到底怎么看这样一件事儿。首先来看看我们国家整个的能源环境，关于绿色发展都遇到了哪些挑战？

1、“贫油、少气”，如何通过催化发掘煤炭的巨大潜力？

世界上能源结构的比例是三分之一左右是煤，三分之一左右是石油，再三分之一左右是天然气，大概还有一部分是可再生能源。但是对于中国来说，情况就不一样了。

中国在能源结构中长期以来一直是以煤为主导的，甚至有些地方的煤可以达到80%。但通过现在这几年的变化，我们使用煤的情况在能源结构里面的占比逐步降低了，去年煤的使用大概就占到60%左右。按照现在石油开采的量，中国探明的可开采的石油大概可以采十二年，天然气大概是三十年左右，煤多一点，大概就是四、五十年的样子，或者是更多一点。

而从对外依存度来看。比如说现在我去加一箱油，70%左右是进口的，30%是我们中国自己开出来的；天然气大概45%左右是进口的， 50%左右是我们自己开出来的。中国的能源强度非常高，能源强度是什么意思呢？一万美元的GDP（国内生产总值），我们中国消耗的能源跟国外消耗的能源不是可比的。本世纪初的时候，我们消耗的能源大概是日本的8—10倍。也就是说，我们生产一万美元的GDP（国内生产总值），我们消耗比如说是8份的煤，日本人可能就消耗1份的煤。所以我们的效率确实是非常之差的，再加上由于烧煤这个事儿，对我们的空气、水的污染非常之大。

到底中国怎么发展？从2000年到2018年中国石油、天然气的对外依存度数据来看，所谓依存度，就是我们到底要进口多少？2018年我们进口的天然气大概是45%，进口的石油依存度大概是70%。但我们现在一年开发多少油呢？大概最大的产出量不到2亿吨，现在差不多1.9亿吨这个样子，但我们要用到6亿吨这样的油。接下来我们肯定是开发不了这么多，但对于中国来说，真正资源占比比较大的，相对来讲就是煤。

自然界有它的一个安排，中东那一块油多，中国这一块相对来讲就是煤多。有些煤矿里面，十几米全是煤，就堆在那个地方，我们再用机器去把它挖出来就是煤，而且就是好煤。所以对我们中国来讲，有一件事情是很有必要做的，而且是战略性的，就是怎么把我们已有的资源，把我们的煤变成我们有少的油、天然气或者我们的化学品。这块东西美国人不做，因为他们的油、天然气很多，它根本不会要用煤来做这个事儿。欧洲人做不做呢？欧洲人也不做。所以实际上这一块东西，就是非常有中国特色的，我们是一定要将此作为我们战略的储备。

但做完以后是不是马上就开成工厂大量生产？这个不一定，要看经济情况。经济有需求我就用它，经济没有需求我就不去用，但是我们一定要知道怎么做能把煤变成油，或者变成化学品，这个是我们一直在做的。我想我们在座的可能也有很多人也在做这件事，而且这件事情还是中国人做得最好。比如煤制油这一块，我们中国16万吨年产量，煤制油做了好多，我们中国最大的一个煤制油的工厂在宁夏的宁东这块地方。最大的一个装置一年可以供我们生产400万吨油，这个量就是很大的。

中国还做了一件事就是把煤先变成甲醇，然后再把甲醇变成烯烃。烯烃是一种碳和氢组成的化合物，它是重要的化工基础原料。广泛用于生产塑料、橡胶、服装、汽车、家具、装饰材料、包装材料等多种产品。在工业上，烯烃主要通过石油裂解来生产，也可以通过甲醇、乙醇等其他原料等制取。如果能直接利用煤生产烯烃，可以大大降低石油的消耗。

煤变成甲醇以后，再把甲醇变成烯烃，然后再把它变成聚烯烃，整个这是一个产业链。以前烯烃我们都是怎么来的呢？都是炼油过程当中产生的石脑油，把石脑油裂解变成烯烃。10吨的原油大概可以炼3吨的石脑油，3吨的石脑油可以炼一吨的烯烃，10吨的原油才能搞出一吨烯烃来。我们中国大概一年消耗烯烃大概就4000万吨左右，也就是说炼油能力就要到4亿吨才能够做这样一件事。现在呢大家可以看到，有1000多万吨我们可以从煤中来，这解决了很大的一个问题了。所以这个对中国人来说是很重要的。

但是一谈到煤这件事吧，好多地方都打怵，为什么打怵呢？一个是因为煤有污染，一个就是中国还缺水。大家都知道，可能有些人对这个煤化工了解，要搞煤化工它一定要用水。我们到底怎么来解决这样一个问题？那么我先给大家看一看煤是一个什么样的东西，别以为煤就是个炭，不是的。你要把煤仔仔细细看到里面，它有很多分子。自然界经过光合作用，把二氧化碳跟水什么东西弄在一起，氢同碳弄在一起就变成不同的芳烃。这样一个烃的分子后面再埋在地下去以后，这些分子慢慢就在这个里面了，这些分子好多都是我们需要的。

那么大家在想，有没有可能直接把煤用催化剂把它像剪刀一样剪下来，变成我们需要的东西呢？大家知道，石油炼制它是用催化剂把这个油品剪断以后，拿出我们需要的东西来。那么哪一天有没有可能这个煤也找到一个催化剂，或者怎么样把它剪断，不就是我们需要的东西了吗？

1924年，有两个德国人，一个叫弗朗兹·费歇尔，一个叫汉斯·托罗普施，他们就把这个过程弄出来，叫“费托过程”。九十多年来，一直是这样一个过程。“费托过程”是怎么做的呢？是用一个水跟这个一氧化碳反应，变成了一个氢气加二氧化碳，就是水煤气变化反应。那接下来再用这个氢气把这个一氧化碳的氧给拿掉，变成了水，一氧化碳跟氢反应就变成了CH2（低碳烯烃）。那我们现在做了个什么事呢，这十几年我们就做了一件事儿，就是不用费托反应这个催化剂了，而用另外一种氧化物作为催化剂。就直接用催化剂把这个一氧化碳跟这个氧反应，变成了二氧化碳，这个碳跟这个氢反应变成了这个东西。那么一个优点就是不用水了，再循环是没有了；还有一个优点就是把这三步的反应最后就变成一步了。

现在世界上做得最好的，比如说做烯烃，也就做到58%的低碳烃选择性。那我们就用这个反应去做，因为它选择性高了嘛，它一下可以做到百分之九十几的低碳烃选择性。大家知道，这个百分五十八同百分九十几可是差别很大了。这件事情出来以后，我们不光是就做这样一个反应，我们把这个概念进一步推广，它实际上是一个平台，最起码可以少用水，少排二氧化碳，少耗能，因为这个过程就节能，而且它的反应选择性高。所以这个过程也就是一个绿色的过程，我为什么讲催化能够来支撑绿色发展呢？支撑这个协调发展呢？那这个也就是我们做的一件事，就通过催化在煤化工当中来支撑绿色发展这样一件事。

全球变暖已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍，温室气体排放将导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气和海平面上升，危及人类生存。二氧化碳是当今最主要的温室气体，也是人类面临的最大挑战之一，联合国专门针对二氧化碳减排进行过诸多努力。但是，在科学家眼中，二氧化碳除了危害，还是一种储量丰富的“碳源”，如果能借助科技手段将其“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应，还将循环利用，成为理想的能源补充形式。如何将温室效应的元凶，变成我们可持续发展的资源呢?

2、催化能否将温室气体二氧化碳变废为宝？

什么叫温室效应？我们小时候在乡下买棒冰，卖棒冰的人会把这些棒冰摆在一个箱子里，上面用被子把它盖好，当有人来买了，几分钱一根就拿走了。我小时候就一直就想不大通，为什么要把棒冰用被子盖起来呢？棒冰不是怕热吗？用被子盖起来不是更热了吗？因为我们平常都有这种印象，我们冬天天冷才盖被子，为什么要把棒冰盖着被子拿出来卖呢？我后来慢慢就知道了，实际上，盖被子是为了隔热，使热量不散发出去，达到保温的效果。所以现在大家就认为，二氧化碳多了以后，就在我们的大气层上面产生一个像被子一样的东西，把地球给盖上了。但地球的能量从哪来的呢？是从太阳来的，太阳的能量有很大的一部分是要通过红外光散发到大气当中去的，以此来保持地球温度基本平衡。那么，假如说给地球盖上一个“被子”，不管厚的、薄的，那来自太阳的能量散发起来不就是难了吗？地球温度不就增加了吗？所以根据这个理论就说，二氧化碳是温室气体。

世界上大概一年要将400亿吨左右的二氧化碳排放到大气当中去。早年中国的二氧化碳排放量是非常低的，总量非常低，人均排放就更低，那个时候欧美这些发达国家排放的量是很大的。这几年以后，这个量慢慢在增加。改革开放以后，在经济有了大的飞跃以后，我们的二氧化碳排放量是非常大的。根据统计，到2018年的数据来看，中国每年要排100亿吨左右的二氧化碳，其中工业排放的二氧化碳特别多，以煤为主的这样一个能源结构使中国在环境方面的压力非常大。

国际社会就坐在一起商量，大家认准了二氧化碳是温室气体，它会对地球的温升包括环境有很大的影响。那么大家就在考虑要限制二氧化碳的排放。西方人就说要先限制，先把一个总量控制好，先把该减的减下来。所以，不管是《巴黎协定》也好，气候谈判也好，中国都在其中发挥了很大的作用。最后我们中国认为，西方发展得比较早，而二氧化碳在大气层中可能都是经过百年或者几百年排放的积累了。那么，现在中国要发展了，而西方突然限制了，我们就变成不能排放了。曾经有一段时间飞机飞到欧洲去要收碳税的，不收碳税就不让飞机降落，因为飞机排放二氧化碳。所以，万一未来哪一天世界上都说二氧化碳是一个问题，中国人排放了三分之一的二氧化碳，一定要收中国人的税，我们还真没办法解决，是吧？

大家又在说了，我能不能用能源，但是不排二氧化碳呢？但是我们知道，只要是用了化石能源，碳加氧总要产生二氧化碳。一吨的煤就要排放两、三吨以上的二氧化碳。还有人说，二氧化碳是能量来的，那么我就少用能，但少用能的话对发展来说是不是就有问题了呢？我们中国就想对国际社会承诺，二氧化碳排放与发展是有关系的，但并不是说少排了二氧化碳发展就一定慢了。从这个地方来看，减少二氧化碳的排放和发展之间的关系也不是完全对应的，也就是说我们还是要想办法用可再生能源，少排二氧化碳，这样就对国际社会、对大家都有好处。

但是现在假如说可用的可再生能源也不多，现在二氧化碳也都排出来了，或者马上还要排二氧化碳怎么办呢？美国人就想了个办法，叫CCS，即二氧化碳捕获和封存技术，将产生的二氧化碳收集起来，把它变纯了之后再把它压缩。我们不是已经开了那么多煤矿吗？我们最后能不能把这些压缩的二氧化碳藏到矿井里面去，或者藏到岩石里面去？还有人说藏到海底去。美国人用的这个方法叫CCS（二氧化碳捕获和封存技术），要花很多钱，大家都在做这件事。

大家判断一下，将压缩的二氧化碳摆到岩层下面去或者摆到什么地方去，这个事情是不是靠谱呢？当然要是保存得好的话也是蛮好的。但万一哪天地震了或者什发生什么自然灾害呢？关键问题是什么呢？就是费用特别大，大到什么程度呢？比如说，我们现在最高的发电厂的能源效率大概是50%左右，一半的废热散掉了，还有一半就是发电了。假如用这个方法去弄，以后发电效率就变成40%，也就说有10%的能源都去处理二氧化碳了，那这个事情到底是不是合适呢？

但是现在也在研究，也没有哪个地方大规模地做这件事。但马上就会有人问了，我们能不能把二氧化碳用起来呢？最近还有人在做什么事呢？就是在电催化转化上面二氧化碳加甲烷这两个共转化以后，变成化学品甲醇，将来再变成乙烯、乙醇这样的东西。假如说未来直接用电把二氧化碳在电极上面用水或者甲烷这样东西，就能变成我们需要的化学品，我认为这个过程还是可行的。因为电化学过程规模做得比较大的，而且它的法拉第效率相对讲比较高，专一性比较强。实际上重要的一件事情是什么呢？就是把二氧化碳转化这件事可以看成一个储能的过程。也就是说，你把风能弄来，把二氧化碳变成甲醇，实际上就是把这个光电风产生的电能，最后就变成了甲醇，把能量储存到甲醇里面，甲醇再一燃烧就获得能量了。

很多人就畅想，未来有没有可能做成一个树叶，因为树叶是通过光合作用把水、二氧化碳变成我们需要的烃类了。那么未来有没有可能用人造树叶直接进行转化？还有人就用一个光反应器，直接把二氧化碳、水加进去，光一照，在催化剂上面，我们就可以得到燃料、油品。这些有没有可能在可再生能源场景下转化二氧化碳呢？我自己认为是可能的，但什么时候能实现就不知道了，就得要靠大家来共同做这个事儿。我想大家都是任重道远，这个事情在科学上都是可行的，但怎么把这些事情变成一个实际的过程，要大家去费很多劲来做这件事，所以这是一个美好的愿景。

人类对能源的追求永无止境，而各种新锐能源正演绎着各自的风云，试图在未来的能源体系中占据主导地位，氢能就是其中之一，它被称为21世纪的终极能源。在人们的期待中，氢能取之不尽、清洁高效，还不会产生二氧化碳这种温室气体，不会有化石能源的枯竭焦虑。

2018年我国将氢能源及燃料电池的产业定为发展元年，日本也成为全球首个将氢能发展定为国家战略的国家。但是，不可否认的是，现在的氢能还不是最方便、最实用的能源，很多卡脖子的技术问题还制约着氢能的广泛应用。未来，我们如何解决氢气主要依靠化石能源制备的问题？怎样突破氢燃料电池的耐久性和氢气的储存问题？2050年，将氢气作为新能源的愿景能否实现？

3、催化能否助力氢能社会早日到来？

现在社会上一直在讲氢能，还有氢能经济、氢能社会，都在讲这样的事情。但是我们搞化学的人要有个判断，氢能到底会是怎么样？未来会怎么走？在什么情况之下我们才能说氢能这件事？

我们看看氢能到底是怎么一回事。

当能源碳跟氧反应，比如说当空气和汽油、柴油等燃料一混合，遇到火花就会发爆炸，这样的爆炸在气缸内进行，会产生高温高压的燃气，推动活塞做功，内燃机就是这样来的，它所产生能量大概效率是是百分之三十几这个样子，还有百分之六十几就损失掉了。

碳是自然界里就有的，我们是能够挖出碳来的，但是它产生温室气体——二氧化碳。所以大家可以看到，自然界它还是很平衡、很公平的，有的东西一定会相应产生不好的东西出来。

氢很好，跟氧一反应就能生成水，但是问题就是在自然界当中，氢是不存在的。氢可以用于燃料电池，而且它的运行效率很高，可以达到60%，但是自然界当中没有氢气。我们从没听说有人可以在什么地方挖到一个氢气矿出来。所以，虽然氢能的利用会产生水，没有污染，但是氢这个原料在自然界是没有的。

为什么人们会想到利用氢这回事呢？大家可以看到，从我们人类的能源发展来讲，最早是木材，木材基本上就是碳，也含有一点点氢；后面是煤炭，煤炭里面大概是两分碳一分氢；再到后面发展到石油，石油大概是两分氢一分碳；再后面就是天然气，天然气是四分氢一分碳。从这个发展过程看下来，基本上人类的能源发展是逐步向氢碳比高的方向迈进的。

氢气在自然界当中是没有的，但是水通过电解可以产生氢气，而且它可以跟可再生能源连在一起。有这些条件以后，大家就认为氢可能是未来非常重要的一个能源。未来，氢能在我们的能源体系当中可能会起到什么样的作用？现在的能源体系是怎么做的呢？化石能源，我们可以把它变成液体材料，像油这样的东西，最后到终端用户。还有一个很重要的事儿，就是化石能源可以发电，变成电能以后到终端用户。但我想未来再怎么变，电总不会少，核能也好，光也好，风也好，电是不能少的。

但是电力能不能开飞机呢？现在还没有这样的飞机。假如说未来有了氢燃料电池可以开飞机、开船，就类似于跟油差不多一样的道理了。所以在未来能源体系当中，氢就有可能替代现在液体燃料的角色。要把氢能这一块做起来，会有个很长的产业链。

首先自然界是没有氢气的，你要制备出氢气出来，接下来储存、转换、应用。所以大家可以看到，整个一个产业链有好多作研究的人在做这么一件事。比如制备过程，制氢的方法很多，通过化石能源 、水电解、化工原料、工业尾气等。全世界一年大概用5000亿立方米的氢气，非常遗憾的是在这个制氢结构当中，4%是从可再生能源来的，96%是化石能源来的。使用化石能源就要排放二氧化碳，所以，要想发展氢能经济燃料电池，就一定要跟可再生能源连起来。

未来可以从可再生能源发展，用光、风、核能把水电解变成氢，只有在这个时候，整个氢能才能够被利用起来。所以我要套用一句广告词，自然界当中实际上是没有氢的，没有氢能的，氢能实际上就是可再生能源的搬运工，把可再生能源从这里搬到那里而已。

那么氢能利用我们到底有什么卡脖子的事情？搞了这么长时间，为什么就没有搞起来呢？这个问题到底在哪里呢？

大家可以看到，一个是制造技术， 怎么把燃料电池制造得非常之可靠。氢跟氧在这个燃料电池上面它是不反应的，它一定要有催化剂。催化剂是什么呢？贵金属催化剂，用铂、钯、钌这样的东西。这个贵金属呢，它是吸附氢或者吸附氧，解离以后呢，氢氧才在表面反应，反应以后再电子传递才会发电。所以大概算了算，现在最好的就是这样一个技术，依靠现在的条件，一部车子大概需要50克左右的铂。你们现在谁有一个白金的项链或者一个戒指，50克重也不这么容易吧？搞一个车子就要50克。出点钱倒没什么问题，比如现在有钱的，50克能有多少钱呢？50克，我估计可能几万块钱，可能也能拿下来吧？是不是？也不一定算什么，但是这些贵金属自然界中没有这么多量，所以就有问题。所以就出来一个什么研究呢？非贵金属催化剂做燃料电池。

燃料电池的耐久性问题，已经获得了比较好的突破。原来为什么有这个问题呢？就是燃料电池在实验室做，做3000小时5000小时，一点问题没有，但是一放到车上去开，一两千小时就不行了。为什么就不行了呢？燃料电池它是要吸空气的，不是吗？空气里面有粒子，粒子里面就有金属，贵金属，还有硫。这种东西一吸进去以后，燃料电池的催化剂，它就慢慢就中毒了。就因为这些东西，膜也就堵塞起来了，催化剂就中毒了。本来在实验室搞得好好的，到这个地方就不行了。

接下来一个很重要的一个事情就是储氢。这个氢大家知道，实验室也有储氢的钢瓶。氢是很轻的，是不是？你要把这个氢带到车上去，你可不能弄太大的东西，你一定要把它弄得很小。现在有三个办法，把它弄得很小。

一个办法是压缩氢，就把氢压在钢瓶里。我们现在不是用钢瓶吗？但我们实验室的钢瓶大概是130个大气压、150个大气压，在实验室里很少有超过200个大气压的。据说车子上中国现在已经在搞标准，在搞350个大气压，日本人是搞多少呢？700个大气压。大家可以看到，700个大气压同300个大气压就差一倍多一点，同这个150个大气压相比就差5倍，是不是？也就说，150大气压的钢瓶，储存的氢在车上可以跑100公里，假如700个大气压，同样的钢瓶储存的氢可以跑差不多500公里。所以储氢相对比较好的还是氢瓶，现在基本上世界范围之内都是这么干。

第二个事情是什么呢？就把氢冷却下来，变成液氢。冷却下来到这个地方呢，再把它释放这个出来。这个氢密度是很高的，但是安全性差，而且它要耗很多能量，把它冷却下来。而且在行驶过程当中，还得防止瓶子漏气了，一漏气以后热量就进去了，接着就放出来，可能就得爆炸了。假如说这个压力太高了，它不就爆炸了吗？所以安全性这地方还有问题。

第三个事情，这都是我们化学搞的，材料储氢。各式各样的储氢材料，高分子的也有，金属的也有，用纳米碳管的也有，什么东西都有。但非常遗憾，迄今为止重量百分比都没有达到6%。也就说，100公斤的储氢材料，都储不了6公斤的氢，储氢的效率是太低了！假如有一天，储氢能达到10%这个样子就好了。因为它压力也不高，是吧？就储在这个里面。所以，燃料电池要做起来以后，储氢的这个事情还得要考虑，你不考虑你是没办法走下去的。

日本人最近氢能推广得很厉害，大家可能也都知道，日本人已经做到什么程度呢？到2040年它要普及，2020年就有4万台。大家可以看到，日本人是用700大气压储氢的，大概储氢的重量比是7.5%。那么也就是说，这里面如果用个大的瓶子，它可以走得很远。那么它的行驶里程，据说到2040年的时候，可以跑1000公里。大家想一想，假如加一次气跑1000公里，倒也是蛮好的，是吧？

我们中国从奥运会开始就有燃料电池车的示范，从上海的那个世博会开始，一直在作这样一个示范，包括现在还在作这个示范，一直在做，做得也是蛮好的。但是还是有很多问题，特别是制氢。大家知道，张家口我们2022年是要搞冬奥会的，冬奥会里面就希望能够推氢能燃料电池这样一个事儿，所以最近他们就在搞一个项目，就是用这个风同太阳能产生电，电解水制氢，制氢以后就运行在燃料电池车子。这件事情假如做成了以后，我认为意义还是很大的，经济上可能马上起不到作用，到不了经济实用这样的程度，但最起码为未来作了个示范。

所以中国也有个目标，到2035年，中国希望一公斤的氢能够降到25块钱。一公斤氢大概就是11立方米左右，现在跑得好的车子，据说一公斤氢可以跑100公里不到一点。大家知道油现在多少钱一升呢？可能是六、七块钱左右一升，是不是？那么一升油大概能跑多远呢？小车大概一般跑100公里，好的车子耗油大概五、六升的样子，大型的SUV，可能就要15升这个样子，那么就是要60块钱，是吧？那假如百公里消耗氢气能够变到一公斤，跑100公里25块钱，就是跑50块钱，我认为也是合算的。