開辟新的能量來源
當前全世界的電力主要是由使用化石燃料為動力的發(fā)電廠生產(chǎn)，由此產(chǎn)生大量的CO2。僅在發(fā)達國家，電力生產(chǎn)就產(chǎn)生約30％的CO2排放。參加CS3論壇的專家們強調(diào)，新技術(shù)在解決問題的同時，必須做到不給后代留下額外的難題。因此，化學家們需要改進方法，用可持續(xù)、無污染方式生產(chǎn)可用能源，然后以便于運送或使用的形式將能源儲存起來。譬如，使用太陽能面板可以將來自陽光的能量轉(zhuǎn)化為電能，然后儲存于諸如電池一類的能量載體中。
目前，材料化學家正與其他領(lǐng)域的科學家和工程師們一起努力，開發(fā)新的能源轉(zhuǎn)化和儲存技術(shù)。這些解決方案應(yīng)能靈活滿足普通消費者和工業(yè)用戶的需求，同時比當下的能源體系產(chǎn)生更少的排放。
完善能量轉(zhuǎn)化途徑
《化學，為了可持續(xù)發(fā)展的全球社會》白皮書指出，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)的化學反應(yīng)。詳細研究這些化學反應(yīng)的機理，對于開發(fā)出以能負擔得起和可持續(xù)的方式驅(qū)動化學反應(yīng)的新材料和過程而言，是至關(guān)重要的。
充足的陽光是未來的能源選擇，人們可以利用光伏技術(shù)、光電化學、光催化、熱電等技術(shù)，捕獲太陽能并將其轉(zhuǎn)化為可用的形式。然而，這些技術(shù)必須能夠大規(guī)模利用太陽能，才能產(chǎn)生顯著的效果。那么在這一過程中，材料化學應(yīng)該怎樣發(fā)揮作用呢？
化學家們指出，今后的方向應(yīng)是開發(fā)出具有更低成本和更高效率的新型太陽能電池。這需要材料化學家合成出各種經(jīng)濟有效、能吸收全波段太陽光的新材料，并生產(chǎn)出高密度、可移動、長壽命的電荷載流子；需要設(shè)計和制備可替代、廉價的材料，能夠以遠高于植物的效率有效地模擬光合作用；需要開發(fā)和優(yōu)化由豐產(chǎn)元素制備，能將太陽能、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，它需要化學家開發(fā)比標準碳負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)的有益補充，并有望從廢水和低品位廢棄物中的有機質(zhì)產(chǎn)生能量。
在這一領(lǐng)域，材料化學家將為燃料電池設(shè)計新的、含有可移動氫離子作為電荷載體的聚合物電解質(zhì)和高溫質(zhì)子導體；通過發(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，來為固體氧化物燃料電池構(gòu)建新的混合型離子-電子導體。同時，通過跨學科的基礎(chǔ)研究，開發(fā)出微生物燃料電池技術(shù)。
能量儲存需求迫切
當今社會，對可靠的、可規(guī)模化的能量存儲技術(shù)有著迫切需求。許多可再生能源如太陽能、風能是間歇性的并產(chǎn)自偏遠地區(qū)，因此很難直接進入電網(wǎng)。化學家們提出，如果能源可以有效、安全地儲存，就不再需要持續(xù)不斷的能源供應(yīng)。超大規(guī)模存儲系統(tǒng)可以將這些以間歇性能源生產(chǎn)的能量儲存起來以備后用。
白皮書就此強調(diào)，目前電池技術(shù)的能量密度必須在短期內(nèi)得到改善，先進鋰離子電池將是能量存儲的一個過渡性解決方案，未來需要有基于來源豐富且材料可循環(huán)使用的新電池和熱能存儲設(shè)備。在這種情況下，材料化學家將為高能量密度的組件開發(fā)新材料，以改善電池性能；幫助開發(fā)包括新一代固態(tài)和液流電池以及儲熱設(shè)備的新儲能技術(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)時可以釋放能量，燃料分子的化學鍵可以作為儲存能量的有效方式。化學儲能設(shè)備可以和適當?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化手段相結(jié)合，生產(chǎn)需要時可以燃燒的如氫氣、烴類化合物等燃料。其中，材料化學家將為電解水制氫設(shè)計新的催化體系及氣體分離技術(shù)；設(shè)計和開發(fā)新的、可不用電解器而直接從水中制取氫的光催化材料；幫助開發(fā)創(chuàng)新的化學儲能形式，包括從陽光、CO2和水生產(chǎn)燃料的手段。