包信和的“催化人生”

　　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日上午，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，为台下的听众揭开了能源变革的底层逻辑。

　　讲座结束之后，包信和接受《新民周刊》等媒体采访，从近零碳路径、成果转化、AI 赋能科研，聊到青年成长、科学精神，将数十年科研思考娓娓道来。

　　从复旦求学，远赴德国深造，扎根大连化物所，任职科大，再回归母校，包信和的科研人生始终与国家能源发展同频共振。“每个人的成长，都与国家发展休戚与共”，这是他走过数十年科研路最深切的感悟。

包信和说每个人的成长，都与国家发展休戚与共。

上下求索之路

　　“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，他还在修改幻灯片。这是一场深入浅出的科普讲座，那些复杂深奥的化学原理，在包信和的讲述下全都变得清晰易懂。

　　1975年，包信和从扬中市同德中学毕业。经历了一年半的务农生活后，被分配到扬中县兽药厂工作。1977年高考恢复时，他在首年只考语文数学的试点中意外落榜；不甘心的他，次年通过自学参考书复习，最终以全县前茅的成绩成功考取复旦大学化学专业。他在兽药厂从事化学相关工作，日常穿着白大褂调配药水的经历，也促使他结合自身实践选择了化学专业方向。

　　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。踏入复旦校园，他遇见了邓景发院士，大三便进入实验室，系统接受化学实验的训练，扎实的实验功底就此打下，为往后一生的催化研究埋下种子。1987 年，包信和取得复旦大学物理化学博士学位，留校任教两年后，他获得洪堡奖学金，从谢希德校长手中接过推荐信，远赴德国马普学会 Fritz‑Haber研究所从事表面化学基础研究。

　　德国的科研岁月，重塑了他对科学严谨性的理解。彼时国内仪器条件有限，很多研究只能做到大致定性；在德国，科研工作要求将反应推进到原子、分子尺度，每一个数据都务求精准。这种极致求真的科研训练，深刻烙印在他的科研思维之中。

　　1995 年，包信和选择回国，加入中国科学院大连化学物理研究所。彼时我国 “贫油、少气、富煤”，石油对外依存度居高不下，能源安全是悬在我国工业发展之上的现实命题。在大连化物所的二十余年，他将目光投向煤、天然气等非石油资源的清洁高效转化，带领团队深耕 “纳米限域催化”。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，包信和说最大的感悟就是“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？包信和给出了严峻的数据：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。

　　“地球上完整的碳循环依然需要二氧化碳，我们追求的不是彻底消灭碳排放，而是重构碳循环，把排放出来的碳重新回收利用，循序渐进向零碳迈进。”包信和说，化石能源历经亿万年地质作用形成，能量密度高、成本低廉；而风能、太阳能能量密度低，受天气波动影响，想要将间歇性能源转化为稳定可用的能源，储能技术、经济性是绕不开的两大关卡。想要实现能源转型，科技进步是根本，要解决可再生能源稳定供给，同时要持续降低低碳技术的经济成本，转型无法一蹴而就，必须循序渐进推进。

　　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。

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。

　　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。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%至30%GDP与催化技术相关。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。

催化的魔力

　　“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。

　　他多年研究的“纳米限域催化”，就是这个“挖山”的过程。包信和团队提出原创的“纳米限域催化”概念，凭借这项成果斩获2020年度国家自然科学奖一等奖，解密被业界称为 “黑匣子” 的催化反应机理。基于该理论开发出OXZEO技术，实现了煤基合成气一步制低碳烯烃。

　　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。

催化反应形象示意图。

AI能替代科学家吗？

　　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，AI能为科学研究做什么？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。他反复告诫年轻人，扎实的基础知识永远不能丢。AI人人都可以使用，真正拉开人与人差距的，是人脑的内化思考。知识可以由 AI 检索调取，但创新来源于自己头脑中知识的碰撞重组。如果基本功不牢固，就没有办法开展批判性思考，更谈不上原始创新。AI 可以作为强大的辅助工具，却不能替代人自身的思考积累。

　　如何提出一个真正有价值的科学问题？包信和认为，天才终究是少数。对于学生，可以广泛阅读文献，把心中的疑惑提出来，很多没有弄懂的地方，恰恰就是尚未解决的科学问题；拥有一定科研经验之后，则要扎根科研实践，直面现实当中解决不了的难题，挖掘背后深层次科学本质。而这一切的前提，是凡事要 “过脑子”，不能机械地接收记录信息，要勤于思考、敢于发问。

　　源源不断的好奇心从何而来？他给出答案：好奇心根植于对科学的敬畏之心。拥有敬畏，才会执着想要把未知事理弄明白；倘若抱着无所谓的心态，就不会产生追问的动力。好奇心、批判精神，正是科学精神最基础、最本质的内核，是追求真理的原动力。

　　他感慨，当下部分教育环境中，孩子与生俱来的好奇心和批判精神被抑制，标准答案的思维模式，会扼杀很多珍贵的提问。他多次走进中小学开展科普，发现小学生的问题最多，充满天马行空的疑问；到中学大家开始羞涩；到大学，敢于举手提问的人反而变少了。

　　多年前在中国科大的一场科普报告，一群小孩子趴在地上踊跃向他提问的那张照片拿到全国科普摄影一等奖，那个场景成为他心中难忘的记忆。“呵护好奇心，是科学教育十分重要的课题。家长、教育工作者不要一味灌输现成结论，要引导孩子多问为什么，鼓励独立思考，科普报告、实践体验都是点燃科学兴趣的火种。”

　　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。”记者｜陈   冰