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。