The essence of green carbon science is carbon balance and recycling. The underlying chemistry for carbon balance or carbon neutrality is the balance of oxidation and reduction, two opposite and unified reactions. Carbon-based energy molecules are composed of three elements: carbon, hydrogen and oxygen. On the basis of the ternary elemental system, a number of ternary molecular systems can be formed in molecular transformations. The contribution that water can make to the chemistry of oxidation and reduction reactions defines the central role of water in green carbon science. In addition to the dissociation of water to form hydrogen and oxygen molecules, green carbon science explores different approaches to using water either as a direct source of hydrogen in reactions or as an activated medium. In catalytic approaches, the mechanistic understanding associated with the coupling of oxygen atoms is critical, and is determined by both extrinsic factors and intrinsic factors. The extrinsic factors refer to those geometrical and electronic factors that help facilitate the approach of oxygen atoms, which are well interpreted by the d-band theory, while the intrinsic factors refer to those geometrical and electronic factors that directly affect the coupling of oxygen atoms, which can be attributed to the p-band theory proposed by the authors. In terms of engineering approaches, the understanding of the role of supercritical water and microdroplets, and the efforts to apply them to practical conversion processes, reveals that the interactions and changes in electronic configuration between oxygen atoms occur under specific conditions. Based on this understanding, it is possible to foresee good prospects for the development of new conversion processes. Beyond water oxidation, recent research hotspots focus on the synergy or coupling of multiple factors in finding more effective ways to directly use water as a source of hydrogen.

重点介绍气候变化面临的挑战，碳达峰碳中和面临的挑战，以及为应对气候变暖而降碳减碳，石化产业碳达峰碳中和的难度，石化产业绿色低碳新技术等内容。

面对当前严峻的环境污染与能源短缺问题，采用高效、可循环的多相催化剂是催化化学领域的研究热点之一，也是可持续、且具有原子经济性的绿色途径，越来越受到人们的广泛关注。多孔框架主要包括金属-有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和氢键有机框架材料（HOFs），具有高度有序分布的活性位点、精确的化学结构和孔结构、极强的气体吸附富集能力，在催化领域具有广泛的应用前景。我们设计制备了系列咪唑鎓盐基多孔框架、液态多孔框架、导电多孔框架材料，高效地将吸附富集在孔中的CO2通过热催化、电催化、光催化方式转化为高附加值产品如环状碳酸酯、乙烯等。

绿氢的制备对于“双碳”目标的实现是至关重要的。绿氢是指利用可再生能源（如太阳能、风能等）制备的氢气，制备过程无碳排放。过渡金属间隙化合物具有高的稳定性和类铂的催化活性，有望替代传统的贵金属催化剂。课题组在过渡金属间隙化合物电催化材料的尺寸、形貌控制、异质结构建以及催化反应机制研究等方面开展系列工作。利用多酸簇具有纳米级尺寸，结构稳定的特点，发展了经偶联锚定制备具有优异电催化析氢性能的小尺寸的钼（钨）过渡金属间隙化合物的方法。并通过构建自支撑立体膜阵列、原位刻蚀造孔以及构建异质结等途径，有效削弱欧姆极化、扩散极化，提高传质/传荷和活化反应物的能力，获得了可利用太阳能转化的低压电驱动的高效、稳定的双过渡金属间隙化合物分解水材料。进而将电解水制氢与生物质电氧化反应耦合，降低制氢能耗同时获得高附加值化学品；结合原位XAFS及理论计算等方法阐明d电子相互作用、表面缺陷以及活性位等对性能的影响规律，为稳定的绿氢系统的构建奠定理论基础和实验依据。

石化过程工业是我国的国民经济支柱产业，年碳排放量接近14亿吨。低碳能源化工技术是当前世界科技发展的重要方向。低碳能源化工领域的变革性发展需要解决精准催化转化、反应热量集成、能质传递强化等科学难题。针对分子精准催化转化难题，本研究建立了分子定向转化的热力学和动力学调控新方法，构建了催化剂活性位的结构化设计理论，发现了反应-传递耦合的动力学调控机制，为催化剂理性设计打开思路，在丙烷脱氢、二氧化碳绿色利用等低碳能源化工过程中实现高效精准催化转化。低碳烯烃的生产能力是化工产业技术水平的重要标志。针对传统丙烷脱氢工艺效率低、能耗高等问题，开发了催化剂活性位有序组装方法，建立了反应热量原位集成技术，实现了连续循环丙烷脱氢工艺，解决了反应器内吸热-放热反应高效耦合难题，推动丙烷脱氢产业低碳化发展。二氧化碳绿色电解是其资源化利用的重要技术途径，本研究建立了催化剂多相界面结构的精准调控方法，解决了二氧化碳电解传质受限的难题，开发了针对大电流工况下的电解液对流强化策略，创新了二氧化碳电解系统关键技术，打通了从二氧化碳到液体燃料和高附加值化学品的绿色转化路线，提供了可持续的二氧化碳转化策略。