人类过去1个世纪的快速地发展和不断的提高的生活品质依赖于化石能源和化石资源的开发和利用。其中化石能源(煤、石油、天然气)提供了稳定的能源供应，但也产生了大量的温室气体。化石资源作为原材料通过不同的化工过程生产了各种工业用品和家用消费品，可是其生产的全部过程需要消耗大量能源。如今，全球能源转型与碳中和目标需要从根本上改变这种模式。

  例如传统化工过程依赖高温度高压力条件，使其能耗占工业总能耗的15%，碳排放强度居高不下;也引起过程中使用的催化剂易失活、传质效率低下等问题制约产业升级。在全球追求可持续发展、致力于实现双碳目标的征程中，能源转型和化学工业的绿色制造两者至关重要。在此背景下，利用可再次生产的能源实现能源清洁化和通过可再次生产的能源驱动化学品绿色制造成为实现全球追求可持续发展最关键抓手。

  清华大学化学工程系工业催化中心负责人唐军旺院士，作为这一领域的开拓者和引领者，他以其敏锐的科学洞察力和前瞻性的思维，创新性的在国际上提出“光子-声子协同催化”概念，贡献了科研领域的新质生产力，获得了国际多个大奖评委会的认可 (图1)。这项新技术不但突破传统化学品制造中催化反应的高温、高能耗瓶颈，实现绿色制造;更重要的是通过利用可再生的太阳能将水、氮气、二氧化碳、甲烷等小分子资源高效转化为绿氨，绿醇等，提供了将太阳能存储为绿色燃料的创新路径。不仅推动了我国绿色低碳化工领域的前沿探索，更以原创性成果为实现能源转型和碳中和进程注入“中国智力和中国贡献”，为全球可持续发展提供了崭新的道路。

  当前，全球能源结构正经历着深刻的变革，我国提出“双碳”目标，要求以科学技术创新驱动能源转型(化石能源到基于可再次生产的能源的清洁能源)，就为了实现绿色低碳和未来可持续发展 (图2)。这是新时代下我们一定要肩负的使命，但是传统化工行业依赖高温度高压力热催化技术，能耗高、碳排放量大，而光催化虽能利用太阳能，却受限于效率低、稳定性差等因素。唐军旺团队敏锐捕捉到这一矛盾，提出了“光子-声子协同催化”新范式，将光催化的精准激发与热催化的热力学调控结合，实现在温和条件下高值化学品和新能源的绿色低碳生产。

  这一技术的提出，不仅是对传统催化技术的革新，更是对可再次生产的能源利用的深度探索。通过利用太阳能等可再次生产的能源，光子-声子协同催化技术为绿色低碳化工过程提供了全新的解决方案，同时也为循环经济的发展奠定了科学基础。

  2018年，唐军旺团队在《自然·催化》首次报道常温常压下光催化甲烷制甲醇的92%高选择性，突破了传统热催化中需高温的限制，从而引发国际关注。这一成果标志着光催化技术在可再次生产的能源利用领域的重大突破。然而，单一光催化难以突破效率瓶颈。团队通过实验发现，光生载流子复合率高是核心问题，而热能的引入可优化反应路径，从而逐步提升催化反应的效率。

  基于这一发现，唐军旺提出了“光子-声子协同催化”新范式，将光催化的精准激发与热催化(高能声子)的热力学调控结合，在温和条件下实现小分子高效转化。经过近5年的研究，2023年团队在《自然·材料》发表了突破性成果：PtCu/TiO2催化剂在70摄氏度光照下实现了甲醇水溶液高效制氢的突破，在365nm光照下其量子效率高达99.2%，在国际上首次验证了光子和声子协同催化活化小分子甲醇和水的可行性和高效性。

  这一成果不仅为绿色氢能的生产提供了新路径，也为可再次生产的能源的高效利用开辟了新方向，为光子-声子协同催化技术来实现低碳化工过程提供了强有力的技术支持。

  一直以来，甲烷作为温室气体和碳资源，其高值化利用是碳中和的关键。然而甲烷中C-H键能高达434 kJ/mol，其活化温度通常高达上千度。2023年，唐军旺团队开发Au/TiO2催化剂，通过光能和热能协同将甲烷氧化为乙烷，产率468μmol/h，较传统热催化温度降低500摄氏度，相关成果发表在《自然·能源》。这一成果不仅降低了甲烷转化的能耗，还为天然气资源的高效利用提供了新思路。

  2024年，团队进一步利用单原子Ru/ZnO催化剂在150摄氏度光照下实现甲烷高效氧化制备甲醛，其选择性超过90%，产率高达401.5μmol/h，比常规光催化的效率提升30倍，并在国际上再次验证了光子-声子协同催化的特色，相关结果发表于《自然·可持续性》。这一成果为甲烷资源的高值化利用提供了新路径，同时也为绿色低碳化工过程提供了新范例。

  2025年1月，唐军旺提出分子内结的想法，并通过聚合物光催化剂结构的设计，合成光催化剂CTF-1并将其应用于甲烷催化转化。该催化技术可将甲烷一步转化为乙醇，室温时单程转化率接近3%，选择性高达80%，相关结论发表在《自然》。该技术有望逐步提升C-C耦合反应的效率与选择性，推动光催化技术在甲烷转化及C2+化学品合成领域的工业应用进程，为油田伴生气等分布式甲烷源的高价值转化提供了新的思路，也为液态燃料合成开辟新路径。

  在可再次生产的能源利用方面，唐军旺团队现已取得了一系列令人瞩目的成果。他们开创性地利用光子和声子来活化小分子，如水、氮气、甲烷、二氧化碳等，实现了可再次生产的能源的高效转化和存储，为能源转型提供了新思路。在促进基础科学的进步上，团队也收获硕果累累，例如，他们在国际上首次给出了多相光催化水氧化需要4个空穴的实验证据，同时绘制了水分解制取氢气的动力学图谱，开发了水分解为氢气和氧气的高效催化剂，进而通过绿氨合成路线将氢气存储在氨中。这一成果为氢能的存储和利用提供了重要的理论和实践基础。此外，团队还利用碳量子点室温将二氧化碳光催化转化为甲醇，选择性接近 100%，这一效率目前仍是最高水平。

  如今，唐军旺团队继续发力，将光子-声子协同催化技术拓展至绿氨合成、甲醇重整制备氢气和氨分解制备绿氢等领域。同时开发了微波催化废旧塑料回收等应用领域，为循环经济的发展提供了新思路。

  目前全球每年塑料产量约为80亿吨，塑料产品大多为一次性使用，而且难降解，造成环境污染和大量资源浪费。在废旧塑料回收方面，2023年，唐军旺团队使用微波与Mn/ZnO催化剂，在常压175摄氏度的条件下，实现了聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的快速微波糖酵解，5分钟就可以实现100%的完全降解，选择性88%，催化剂占比仅为0.4wt%。2025年，联合中科院理化所开发的Zn/b-ZnO催化剂，通过微波协同催化，在280摄氏度常压下将混杂废塑料转化为油品，能耗仅为传统工艺的1/8，单次处理效率高达250 g/g，连续运行50次稳定性很高，目前正在计划将该技术推向工业应用。

  面向未来，唐军旺团队有着宏伟的规划和愿景。他们计划将光子-声子协同催化技术进一步拓展至生物质转化利用、二氧化碳转化为高级化学品等前沿领域，为解决全球能源和环境问题贡献更多中国智慧和方案。

  同时，团队致力于用时间分辨光谱深入研究光能和热能协同催化的机理(图3)，为优化可再次生产的能源的有效存储和化学品的绿色低碳制造提供了坚实的理论基础。唐军旺提出“分子工程催化”新方向，通过精准设计催化剂界面结构，实现多反应路径的协同调控。“我们的目标不仅是发表高水平论文，更要让技术广泛惠及产业，助力中国在全球洁净能源和绿色化工转型中占据制高点。”唐军旺院士以其引领性的观点赢得了业内的广泛关注和肯定，2024年4月，他应Nature Chemical Engineering邀请以Catalyzing the Chemical Industry为题作报告，对未来催化化工做出了总结和展望。

  从甲烷高值化到废塑料重生，从绿氢到绿氨/绿醇，从实验室微光到产业星火，唐军旺团队以光为笔，书写着中国科学家在双碳时代的创新答卷。同时，他们力争成为促进中欧合作，特别是中英合作的科技大使，为国际合作，合力攻克新能源转化和存储，为可持续发展贡献力量。

  总而言之，唐军旺团队的光子-声子协同催化技术(图4)，不仅引领了国际多相催化领域的发展，还进一步创造性地提出了光和热协同催化的新范式。这一技术为可再次生产的能源的高效利用、绿色低碳化工的实现以及循环经济的发展提供了强有力的支持。在双碳目标的指引下，唐军旺带领团队以科学技术创新为驱动，为中国乃至全球的可持续发展贡献了智慧和力量，也在国际舞台上展现了中国科学家的创新实力和担当精神。

  相信在不远的未来，随技术的不断突破和产业化应用的推进，光子-声子协同催化技术必将为全球能源转型和“双碳”目标的实现注入更多“中国力量”。(文/李杰)