复旦大学EMBA

赵东元:以能源革新,“催化”美好世界

2017-10-09

9月23日,复旦大学EMBA前沿科学讲座在管理学院史带楼502教室举行,中科院院士、世界科学院院士、复旦大学先进材料室主任赵东元教授作为特邀嘉宾,引领EMBA同学们由纳米材料的微观世界,开启了一场展望未来能源的科技之旅。

 

赵东元教授是国家杰出青年基金获得者,国家自然科学基金委创新研究群体首席科学家,复旦大学先进材料实验室主任、复旦大学校学术委员会主席。主要从事介孔分子筛的合成和结构研究,发明了20余种以复旦大学命名的介孔材料。在Science、Nature等发表SCI论文600余篇,撰写专著2部,被ISI Web of Science列为近十年100名引用率最高的化学家之一,被汤森路透社列为全球2011-2016化学、材料两个领域高被引科学家;也被列为最具国际影响力的中国科学家。

 

以能源革新,“催化”美好世界

 

能源危机真的来了?

 

能源与人类社会发展息息相关。它是现代社会的动力和源泉,是人类活动的物质基础,更是现代社会经济发展的重要支柱。人们生活水平的提高以及人口扩张都伴随着能源的发展,能源的重要性可见一斑。

 

能源的历史发展悠久,经历了煤炭为主、油气为主的阶段,如今正逐步从化石能源为主向非化石能源转型。世界上主要的能源消耗由石油、煤炭、天然气、水能、核能以及其他可再生能源构成,其中石油、煤炭、天然气这些化石能源占80%左右,可再生能源的比例虽呈增长势头,但现阶段难以成为主体能源。因此能源消耗主要依赖的仍是化石能源,由此带来种种问题,引发危机。

 

能源带来的危机包括:一,供不应求,能源短缺。虽然化石能源的探明储量逐步增加,但世界各国分布不均、开采费用差异较大,社会对能源的需求却越来越高,不少国家为了争夺能源发动战争,带来极大破坏。二,全球变暖,冰川消融,污染横生。一方面,化石能源消耗产生碳排放,二氧化碳约80%都来源于能源消耗,二氧化碳排放量增加,致使全球变暖,使得北极冰川消融;另一方面,化石能源消耗生成其他气体,污染空气,并造成酸雨现象。这些危机对中国而言更为严峻。中国缺油少气,对煤炭的依存度非常高,但人均能源资源拥有量低下,因此能源主要来源于进口。由此带来石油进口量逐年增加、二氧化碳排放量世界第一、大范围雾霾污染严重等后果。

 

这些情况不禁令人开始担忧:是否能源危机的时代真的到来?

未来能源革命的方向是什么?

 

日益凸显的能源危机给人们敲响了警钟,一些人开始思考未来能源发展的方向,寻求更多可再生能源,在追求现代化的同时努力改变能源结构。

 

可再生能源,即被人类开发利用后可以继续利用的资源,或短时期内可以再生,或可以循环使用的自然资源,例如来自大自然的太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能等,具有不影响环境、持续性的特征,是用以替代化石能源的新型能源。当前,可再生能源在能源结构中所占比例呈增长势头,说明人们越来越关注新能源及其技术的发现和使用。

 

未来世界能源的发展主要有三个趋势:

一,能源需求不断增加,但速率放缓。当需求上升到峰值之后就会进入缓慢发展期。

二,可再生能源比例增加。目前可再生能源占比较小,但未来其比重将越来越大。

三,碳排放不断降低。碳排放量主要来源于化石能源,若可再生能源替代了化石能源的消耗,那么碳的排放自然会减少。在整个大趋势下,各国有自己独特的能源发展侧重点,例如美国注重非常规油—天然气油,欧洲强调可再生能源,德国关闭核电、重点发展风和光能,法国以核电为主,巴西注重生物质能等等。

 

总体而言,未来能源革命将向着绿色、低碳、循环发展,其中能源消费革命将由粗放、低效转向节约、高效;能源生产革命则将由黑色、高碳转向绿色、低碳;能源体制革命提供保障;能源技术革命给予支撑,向着智能化、电气化、低碳化、高效化的方向发展。旨在最终建立一个由非化石能源引领的绿色、低碳能源体系,促进全球可持续发展。

 

让世界更美好的催化剂

 

可再生能源发展的过程并非一帆风顺,存在着一些问题需要借助科技手段予以解决,化学材料创制与利用就是有效途径之一。

 

一方面,利用化学新材料促进可再生能源的转化与利用,是一个重要的探索命题。例如太阳能将光热转化为电力的过程中,可使用纳米材料来提升热电转化系数;有的生物质能(如木质纤维素)难以转化,但新型纳米催化材料的开发,极大地提高其转化成燃料的效率。因此,使用化学科技手段,可提高能源转化的概率和效率。

 

另一方面,可再生能源仍处于发展初期,不能成为主体能源。我们将处于并长期处于对一次化石能源的依赖中,其高效清洁利用是必然的。所以我们需要借助科学技术的力量,研发新材料,主要包括催化材料以及纳米材料,提升化石能源的利用率。催化剂几乎遍及了整个化学反应的领域,其作用是加快化学反应的速率。催化剂可大幅度提高催化活动,提高石油的转化率,带动炼油工业的革命,并产生巨大的经济效益。

 

而纳米材料是指在任何一维方向上,尺寸在1~100 nm的材料,它具有不寻常的物理化学性质,可产生小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应。其性能强烈地依赖于纳米粒子的尺寸、形状和组装方式。所谓的纳米技术,就是在纳米尺寸上对客观物质进行研究处理的技术,即在分子、原子水平上操纵物质,制造新物质的技术。随着人们对微观领域的研究和认识的深入,纳米科学和技术成为最有希望取得突破性进展的领域与科学。

 

由此可见,化学本身就是一种能够让世界更美好的催化剂。

 

问答互动:

 

提问1:新能源里面,核电、风电、光电等,哪几个方向您比较看好?

赵东元:一定是因地制宜,刚才我讲的观点就是能源多样化。不同的地区有不同的资源优势,每个国家的情况也都不一样。好比我国在西部能够利用风力和太阳能发电,但在东部就没有那么有效。当然,每种能源本身都有各自的局限。如风能,有时候有风,有时候没风;太阳能也一样,即使效率极其高,但白天有,晚上没有,并且太阳能的能量密度偏低。在国际上,德国关闭核电、重点发展风和光能,法国以核电为主,美国注重非常规天然气油,巴西注重生物质能等等,都是结合自身特色侧重发展主力能源。

 

提问2:刚才谈到能量的储存,在目前大家比较关心的汽车电池领域会有怎么样的突破?

赵东元:我对新能源汽车寄予厚望,这肯定势在必行。目前汽车烧气、烧油,最简单、最便宜,但是势必带来污染。对新能源汽车而言,需要突破的最大问题还是电池材料的寿命、容量等。

 

提问3:如何评价核电的安全性?

赵东元:个人认为没有问题。近年来中国核电得到突飞猛进的发展,目前已经到了饱和阶段,发展瓶颈是缺乏核原料,需要从其他国家进口。把这个问题解决了,核电应该是很安全。

 

提问4:在采集可燃冰方面有没有一些技术突破?

赵东元:目前中国技术还不行,只是发现可以通过技术手段采集可燃冰。我国海上有很多可燃冰,一旦我们有技术,能够便宜、安全地采集可燃冰,我相信这个将是一场革命。现在裸露的可燃冰非常少见,更多的都是藏在里面。

 

提问5:我参与了宁夏煤制油项目,从技术和经济角度怎么看这个项目转化路径?

赵东元:这个项目叫做费托合成,通过一氧化碳加氢做成油,目前上了5000吨的规模。走这条路线是煤的清洁利用。中国费托合成技术目前居于世界领先,远超南非和美国这些国家,但问题也非常多。从经济上讲,他们还不可能挣钱,因为油价太低了。沙特为了打击其他邻国,油价降下来再回不去。去过沙特就知道,加油站多少钱一升吗?几美分一升,人民币4毛多钱一升。你想水多少钱,再便宜中国也得一块钱一瓶饮用水。我跟这个项目的负责人测算过,一桶油超过100美金才能挣钱,现在一桶油只有30美金。

 

提问6:您研究的纳米材料目前在应用推广方面遇到有哪些问题?

赵东元:纳米材料比如碳纳米管,现在不是普通的生产问题,而是量产问题,因为价钱高昂。你知道中国华为这些大的公司,所谓的“纳米材料”产品,也只不过是添加一点点纳米材料如石墨烯而已,因为价格它受不了。作为一个科学家,我倡导大家在做科技研发时,先别去想有什么用,要搞清楚科学规律和科学原理。霍金想的黑洞有什么用?但是很伟大。爱因斯坦想时空变换有什么用?到现在可能也没有用,但没人质疑爱因斯坦的伟大。我们需要准备的是超前的知识和意识,这些会指引你改变世界。


 人物介绍

赵东元,男,1963年6月生,中科院院士,世界科学院院士,长江特聘教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,国家自然科学基金委创新研究群体首席科学家。复旦大学先进材料实验室主任、“浩清”教授、复旦大学校学术委员会主席。

 

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