引言：催化化学的绿色转型
催化化学是化学工业的核心学科。据统计，全球超过80%的化工产品在其生产过程中至少使用了一种催化剂，催化过程贡献了全球GDP的约30%。然而，传统的催化化学高度依赖石油化工原料和高温高压反应条件，是化工行业碳排放的主要来源之一。
2026年，在碳中和目标和绿色化工浪潮的推动下，催化化学正在经历从以石油化工为中心到以绿色低碳为中心的范式转变。电催化、生物催化和光催化等"绿色催化"技术正在从实验室走向中试和工业示范，传统热催化也在通过催化剂创新和工艺优化向高效、低碳方向升级。
电催化：用电子替代热量和氢气
电催化在化工行业中的角色
电催化是利用电能驱动化学反应的催化过程。在传统化工中，许多反应（如氢化、氧化、加氢脱氧）需要高温（200-500°C）和高压（10-100 bar），并消耗大量氢气（通常来自天然气蒸汽重整，碳排放高）。电催化可以在常温常压下，利用可再生电力（绿电）直接驱动这些反应，避免了高温高压的能耗和灰氢的碳排放。
2026年，电催化在化工领域取得了以下进展：
电催化CO₂制化学品
将CO₂电还原为有价值的化学品（如CO、甲酸、乙烯、乙醇）是2026年电催化领域最活跃的方向之一。这不仅实现了CO₂的捕集利用，还创造了碳循环经济的新路径。
CO₂电还原制CO：CO是合成气（CO+H₂）的核心组分，是费托合成（制液体燃料和化学品）和羰基合成（制醇、醛、酸）的原料。2026年，中国天津大学巩金龙团队开发了基于Ni-N-C单原子催化剂的CO₂电还原制CO电解槽，在电流密度200 mA/cm²下，CO法拉第效率（FE）高达98%，电解槽电压约2.5V，CO₂单程转化率约30%。该电解槽已在天津渤化集团进行了千吨级CO₂/年（约100吨CO/年）的工业示范，运行时间超过2000小时，CO选择性保持稳定。
CO₂电还原制甲酸：甲酸是重要的化工原料和潜在的氢载体（含4.4wt% H₂）。2026年，德国西门子能源（Siemens Energy）和赢创（Evonik）在德国马尔化工园区合作建设了CO₂电还原制甲酸的示范装置（年产甲酸约100吨），使用Bi基催化剂，CO₂单程转化率约25%，甲酸法拉第效率约85%，电解能耗约6 kWh/kg甲酸。该装置使用的CO₂来自化工园区内另一工厂的烟道气，实现了工业CO₂的"就地转化"。
电催化生物质转化
生物质是唯一可再生的有机碳源，将生物质平台化合物（如糠醛、5-羟甲基糠醛HMF、甘油、乙醇）电催化转化为高值化学品是2026年的新兴方向。
2026年，美国威斯康星大学麦迪逊分校George Huber团队开发了基于CuAg双金属催化剂的电催化HMF还原制2,5-二甲基呋喃（DMF，一种有前景的生物燃料和溶剂）工艺，在常温常压下，DMF选择性达到85%，法拉第效率约70%，比传统热催化加氢（需要H₂，150-200°C，20-50 bar H₂压力）大幅降低了碳排放和操作风险。
生物催化：酶催化剂的工程化
生物催化使用酶或全细胞催化化学反应，具有反应条件温和（常温常压、中性pH）、高选择性（尤其对应选择性）和绿色环保（水为溶剂，无有毒副产物）的优势。
2026年，生物催化在以下方向取得了突破：
工程化酶的工业应用
2026年，酶工程（特别是定向进化和理性设计）的进步使酶催化剂能够胜任传统化学催化剂难以实现的反应：
PET酶法回收：法国Carbios公司的工程化PET水解酶在2026年实现了商业化运行。该酶经过多轮定向进化，在72°C下能在16小时内将彩色PET瓶完全分解为单体和中间体，酶活性比野生型提高了约10000倍。Carbios的酶法回收工厂（年产能5万吨）在2026年投入运行，每吨PET的酶成本约50美元，酶可回收使用约10次。
酶法合成医药中间体：2026年，美国Codexis公司开发了工程化转氨酶用于合成抗新冠药物Paxlovid的关键中间体。该酶经过12轮定向进化，活性提高了约4000倍，在50°C下、24小时内实现了99%的转化率和>99.9%的对映体过量（ee值），替代了传统化学合成中需要4步反应、使用贵金属催化剂和有机溶剂的工艺，将生产成本降低了约60%。
人工金属酶
2026年，人工金属酶（将非天然金属辅因子引入蛋白质骨架，赋予酶新的催化功能）成为生物催化领域的新前沿。传统酶只能催化生物体内存在的反应类型，而人工金属酶通过将过渡金属催化剂（如Rh、Ir、Ru、Pd）的催化活性与蛋白质的手性环境相结合，实现了非天然反应的高对映选择性催化。
2026年，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）团队报道了将Ir催化剂嵌入链霉亲和素（Streptavidin）蛋白空腔中的人工金属酶，用于不对称C-H键氨化反应，对映体过量（ee值）高达99%，转化数（TON）达到10000以上，接近传统化学催化剂（如Rh₂(S-DOSP)₄）的水平，但使用了更廉价的金属。
传统热催化的低碳升级
2026年，传统热催化仍然是化学工业的主力（占催化市场的80%以上），但正在向低碳方向升级：
低碳合成氨：合成氨（Haber-Bosch工艺）是化工行业碳排放最大的单一过程（约占全球碳排放的1.5%），因为所需的氢气来自天然气蒸汽重整（灰氢）。2026年，丹麦Topsoe公司在丹麦的示范工厂使用固体氧化物电解（SOEC）生产的绿氢替代灰氢，将合成氨的碳排放降低了约90%。该工厂年产能5000吨氨，使用Topsoe的SynCOR工艺（自热重整），结合SOEC电解水制氢，实现了全球首个"绿氨"商业化示范。
催化裂化（FCC）过程的低碳化：2026年，中国石化石油化工科学研究院（Sinopec RIPP）开发了新一代FCC催化剂，将催化裂化过程中焦炭产率从约5wt%降低至约3.5wt%，CO₂排放降低了约30%（焦炭燃烧是FCC过程CO₂排放的主要来源），同时丙烯产率提高了约15%。
展望：2026-2035
催化化学的绿色转型将沿着以下路径演进：
- 电催化：预计2027-2029年，CO₂电还原制CO/甲酸将实现万吨级工业示范。2030年，电催化将在醋酸、乙醇、乙二醇等大宗化学品的绿色生产中发挥重要作用。
- 生物催化：工程化酶和人工金属酶将在2027-2030年进入更多工业反应，特别是在医药中间体、香料和精细化学品领域。
- 传统催化：传统热催化将与绿氢、生物质原料和碳捕集技术结合，实现从"灰色催化"到"绿色催化"的转型。
- 催化过程的AI化：机器学习将在2027-2030年成为催化剂筛选和优化的常规工具，将新催化剂的研发周期从数年缩短至数月。
催化化学的绿色转型是化工行业实现碳中和的关键。2026年，这场转型正在从"概念验证"走向"工业示范"，未来十年将进入全面加速期。
参考资料：
- 巩金龙等，“CO₂电还原制CO千吨级示范,” Nature Chemical Engineering, 2026.
- Topsoe, “Green Ammonia Demonstration Plant,” 2026.
- Carbios, “Enzymatic PET Recycling: Commercial Operations,” 2026.
- Codexis, “Engineered Transaminase for Paxlovid Intermediate,” 2026.