“預(yù)計(jì)到2030年，人類需要的能源比現(xiàn)在至少增加50%，而這種需求可能會(huì)超過(guò)現(xiàn)有的常規(guī)供應(yīng)能力。而在應(yīng)對(duì)不斷增加的能源需求挑戰(zhàn)的同時(shí)，還要避免增加CO2溫室氣體的排放量?！痹诘诙没瘜W(xué)科學(xué)與社會(huì)高峰論壇（CS3）上，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本的頂級(jí)科學(xué)家指出了化學(xué)家肩負(fù)的責(zé)任，即材料化學(xué)家將幫助開(kāi)發(fā)新的可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，同時(shí)不增加CO2排放；開(kāi)發(fā)可以在地球上任何地方，都能高效地從陽(yáng)光中捕獲能源的可持續(xù)太陽(yáng)能技術(shù)；用新一代電池和化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)靈活地儲(chǔ)存和運(yùn)輸能源，并能充分利用間歇形式存在的能源。

開(kāi)辟新的能量來(lái)源

當(dāng)前全世界的電力主要是由使用化石燃料為動(dòng)力的發(fā)電廠生產(chǎn)，由此產(chǎn)生大量的CO2。僅在發(fā)達(dá)國(guó)家，電力生產(chǎn)就產(chǎn)生約30％的CO2排放。參加CS3論壇的專家們強(qiáng)調(diào)，新技術(shù)在解決問(wèn)題的同時(shí)，必須做到不給后代留下額外的難題。因此，化學(xué)家們需要改進(jìn)方法，用可持續(xù)、無(wú)污染方式生產(chǎn)可用能源，然后以便于運(yùn)送或使用的形式將能源儲(chǔ)存起來(lái)。譬如，使用太陽(yáng)能面板可以將來(lái)自陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化為電能，然后儲(chǔ)存于諸如電池一類的能量載體中。

目前，材料化學(xué)家正與其他領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們一起努力，開(kāi)發(fā)新的能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存技術(shù)。這些解決方案應(yīng)能靈活滿足普通消費(fèi)者和工業(yè)用戶的需求，同時(shí)比當(dāng)下的能源體系產(chǎn)生更少的排放。

完善能量轉(zhuǎn)化途徑

《化學(xué)，為了可持續(xù)發(fā)展的全球社會(huì)》白皮書(shū)指出，能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，經(jīng)常要涉及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。詳細(xì)研究這些化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，對(duì)于開(kāi)發(fā)出以能負(fù)擔(dān)得起和可持續(xù)的方式驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的新材料和過(guò)程而言，是至關(guān)重要的。

充足的陽(yáng)光是未來(lái)的能源選擇，人們可以利用光伏技術(shù)、光電化學(xué)、光催化、熱電等技術(shù)，捕獲太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為可用的形式。然而，這些技術(shù)必須能夠大規(guī)模利用太陽(yáng)能，才能產(chǎn)生顯著的效果。那么在這一過(guò)程中，材料化學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)揮作用呢？

化學(xué)家們指出，今后的方向應(yīng)是開(kāi)發(fā)出具有更低成本和更高效率的新型太陽(yáng)能電池。這需要材料化學(xué)家合成出各種經(jīng)濟(jì)有效、能吸收全波段太陽(yáng)光的新材料，并生產(chǎn)出高密度、可移動(dòng)、長(zhǎng)壽命的電荷載流子；需要設(shè)計(jì)和制備可替代、廉價(jià)的材料，能夠以遠(yuǎn)高于植物的效率有效地模擬光合作用；需要開(kāi)發(fā)和優(yōu)化由豐產(chǎn)元素制備，能將太陽(yáng)能、廢熱轉(zhuǎn)化為電能的新型熱電材料。

另外，燃料電池技術(shù)要想在商業(yè)上切實(shí)可行，就需要更加有效、低成本和含有可持續(xù)材料組件的燃料電池，它需要化學(xué)家開(kāi)發(fā)比標(biāo)準(zhǔn)碳負(fù)載鉑粒子催化劑具有更高催化活性的新材料。生物能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則是對(duì)常規(guī)能源供應(yīng)的潛在、可持續(xù)的又一替代方案，其中微生物燃料電池將成為傳統(tǒng)燃料電池技術(shù)的有益補(bǔ)充，并有望從廢水和低品位廢棄物中的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生能量。

在這一領(lǐng)域，材料化學(xué)家將為燃料電池設(shè)計(jì)新的、含有可移動(dòng)氫離子作為電荷載體的聚合物電解質(zhì)和高溫質(zhì)子導(dǎo)體；通過(guò)發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化新的由地球上豐產(chǎn)元素制成、有更高穩(wěn)定性和活性的催化劑，來(lái)為固體氧化物燃料電池構(gòu)建新的混合型離子-電子導(dǎo)體。同時(shí)，通過(guò)跨學(xué)科的基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)出微生物燃料電池技術(shù)。

能量?jī)?chǔ)存需求迫切

當(dāng)今社會(huì)，對(duì)可靠的、可規(guī)?；哪芰看鎯?chǔ)技術(shù)有著迫切需求。許多可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能是間歇性的并產(chǎn)自偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此很難直接進(jìn)入電網(wǎng)。化學(xué)家們提出，如果能源可以有效、安全地儲(chǔ)存，就不再需要持續(xù)不斷的能源供應(yīng)。超大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)可以將這些以間歇性能源生產(chǎn)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)以備后用。

白皮書(shū)就此強(qiáng)調(diào)，目前電池技術(shù)的能量密度必須在短期內(nèi)得到改善，先進(jìn)鋰離子電池將是能量存儲(chǔ)的一個(gè)過(guò)渡性解決方案，未來(lái)需要有基于來(lái)源豐富且材料可循環(huán)使用的新電池和熱能存儲(chǔ)設(shè)備。在這種情況下，材料化學(xué)家將為高能量密度的組件開(kāi)發(fā)新材料，以改善電池性能；幫助開(kāi)發(fā)包括新一代固態(tài)和液流電池以及儲(chǔ)熱設(shè)備的新儲(chǔ)能技術(shù)，作為傳統(tǒng)電池持久、安全的替代方案。

由于與氧氣反應(yīng)時(shí)可以釋放能量，燃料分子的化學(xué)鍵可以作為儲(chǔ)存能量的有效方式?；瘜W(xué)儲(chǔ)能設(shè)備可以和適當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化手段相結(jié)合，生產(chǎn)需要時(shí)可以燃燒的如氫氣、烴類化合物等燃料。其中，材料化學(xué)家將為電解水制氫設(shè)計(jì)新的催化體系及氣體分離技術(shù)；設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的、可不用電解器而直接從水中制取氫的光催化材料；幫助開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的化學(xué)儲(chǔ)能形式，包括從陽(yáng)光、CO2和水生產(chǎn)燃料的手段。