2016年11月，美国国家科学院发布报告《碳氢原料供应结构正在变革——催化面临的挑战和机遇》[1]。该报告是对3月份举行的一场专题研讨会的书面总结。为期两天的研讨会围绕页岩气革命导致美国化工原料向天然气倾斜的趋势，讨论了新形势下催化面临的挑战，指出了催化新的发展机遇。研讨会邀请了来自学术界、产业界、政府机构、国家实验室、专业学会等方面的近百人参加。

一、页岩气革命带来成本优势

页岩气革命使美国化工业获得了成本优势。截至2014年12月31日，美国已探明的天然气和天然气凝析液储量约为11万亿立方米，几乎是十年前的两倍。与此同时，产量在过去十年间迅猛增长，并将继续保持增长势头。受此影响，美国化工业的生产成本已经从世界最高（2005年）降至仅略高于中东地区（2015年）。成本优势带来了行业复兴。化工业投资从十年前的10多亿美元投资海外建厂、国内没有项目建设，转为截至2015年9月已有1530亿美元、246个项目宣布投资美国。未来十年，塑料制造业预计将增加46.2万个工作岗位，增幅超过20%。

二、原料结构变化带来催化挑战

页岩气革命改变了美国化工业的原料供应结构，从以原油中的石脑油为主正在转向以天然气（主要成分为甲烷）和天然气凝析液（主要成分为乙烷、丙烷和丁烷）为主。这种改变有利有弊。好处是有了充足的低成本甲烷、乙烷等原料。弊端首先是乙烷裂解的产物不如石脑油的丰富，例如没有苯、甲苯等芳环化合物。其次，丙烯、丁二烯等（副）产物的产量也低于石脑油裂解法。再次，一些化学品，例如环戊二烯，只有采用石脑油裂解法生产才是经济可行的。因此，原料供应结构的变化一方面降低了乙烯的生产成本、提高了利润，另一方面造成了丙烯、丁二烯、苯等重要化工中间体价格的上涨。

在这种形势下，为了充分发挥成本优势并追求利益最大化，催化科技面临着将天然气和天然气凝析液直接转化为高附加值化学品并且低碳排放的挑战。具体来说，在原料一侧，是甲烷、乙烷、丙烷等低碳烃类的催化转化；在产物一侧，是乙烯以及前述重要化工中间体的催化合成。例如，利用天然气凝析液中丰富的丙烷催化脱氢生产丙烯。

三、催化面临的发展机遇

1、全局性的机遇

（1）动力学研究、光谱学研究和理论研究合力推动基础研究的深入，从而提高在原子和分子层面对催化过程的理解，指导发展耐工业反应条件的具有精细性能的催化剂。

（2）发展先进的分析能力，实现催化剂进行原位、高时空分辨率的结构和化学表征。

（3）提高催化剂的选择性，减少副产物产生，进而降低后续分离所需的能耗和成本。

（4）加强材料学家、化学家、反应工程师之间的联系与合作，加速研发能耐受实际工业反应条件的高选择性催化剂。

（5）国家适当支持创新的、高风险的催化转化路线研究，可能带来变革性发现和技术。

（6）为实现低碳世界，在将天然气催化转化为高价值化学品的同时，减少温室气体排放。

2、针对低碳烃类原料的机遇

（1）深入理解天然气转化为化工中间体（特别是C4烯烃、二烯烃以及芳环化合物）的反应机理。

（2）研发用于烷烃氧化反应的新型氧化剂以替代氧气，要求氧化剂易于通过氧气（最好是空气）制备。研发节约成本的氧气利用过程。

（3）深入理解化学链燃烧技术，指导研发新的催化剂和反应器以提高甲烷利用效率。

（4）探索甲烷的生物转化路线。

（5）利用代谢工程提高微生物转化甲烷为化学品的产率，并且实现零二氧化碳排放。

（6）研究能够耦合生物催化和电催化的转化过程，将甲烷转化为化学品的同时没有二氧化碳或水的产生。

（7）研究单活性中心催化剂，实现从甲烷到甲醇的连续转化。

（8）研究利用金属有机框架化合物进行产物分离，节能并降低成本。

                                                  （边文越）