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電廠生產，由此產生大量的CO2。僅在發達國家，電力生產就產生約30％的CO2排放。參加CS3論壇的專家們強調，新技術在解決問題的同時，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、無污染方式生產可用能源，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域的科學家和工程師們一起努力，開發新的能源轉化和儲存技術。這些解決方案應能靈活滿足普通消費者和工業用戶的需求，同時比當下的能源體系產生更少的排放。
完善能量轉化途徑
《化學，為了可持續發展的全球社會》白皮書指出，能量從一種形式轉換為另一種形式，經常要涉及相應的化學反應。詳細研究這些化學反應的機理，對于開發出以能負擔得起和可持續的方式驅動化學反應的新材料和過程而言，是至關重要的。
充足的陽光是未來的能源選擇，人們可以利用光伏技術、光電化學、光催化、熱電等技術，捕獲太陽能并將其轉化為可用的形式。然而，這些技術必須能夠大規模利用太陽能，才能產生顯著的效果。那么在這一過程中，材料化學應該怎樣發揮作用呢？
化學家們指出，今后的方向應是開發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濟有效、能吸收全波段太陽光的新材料，并生產出高密度、可移動、長壽命的電荷載流子；需要設計和制備可替代、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；需要開發和優化由豐產元素制備，能將太陽能、廢熱轉化為電能的新型熱電材料。
另外，燃料電池技術要想在商業上切實可行，就需要更加有效、低成本和含有可持續材料組件的燃料電池，它需要化學家開發比標準碳負載鉑粒子催化劑具有更高催化活性的新材料。生物能源轉換系統則是對常規能源供應的潛在、可持續的又一替代方案，其中微生物燃料電池將成為傳統燃料電池技術的有益補充，并有望從廢水和低品位廢棄物中的有機質產生能量。
在這一領域，材料化學家將為燃料電池設計新的、含有可移動氫離子作為電荷載體的聚合物電解質和高溫質子導體；通過發現和優化新的由地球上豐產元素制成、有更高穩定性和活性的催化劑，來為固體氧化物燃料電池構建新的混合型離子-電子導體。同時，通過跨學科的基礎研究，開發出微生物燃料電池技術。
能量儲存需求迫切
當今社會，對可靠的、可規模化的能量存儲技術有著迫切需求。許多可再生能源如太陽能、風能是間歇性的并產自偏遠地區，因此很難直接進入電網。化學家們提出，如果能源可以有效、安全地儲存，就不再需要持續不斷的能源供應。超大規模存儲系統可以將這些以間歇性能源生產的能量儲存起來以備后用。
白皮書就此強調，目前電池技術的能量密度必須在短期內得到改善，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使用的新電池和熱能存儲設備。在這種情況下，材料化學家將為高能量密度的組件開發新材料，以改善電池性能；幫助開發包括新一代固態和液流電池以及儲熱設備的新儲能技術，作為傳統電池持久、安全的替代方案。
由于與氧氣反應時可以釋放能量，燃料分子的化學鍵可以作為儲存能量的有效方式。化學儲能設備可以和適當的能量轉化手段相結合，生產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計新的催化體系及氣體分離技術；設計和開發新的、可不用電解器而直接從水中制取氫的光催化材料；幫助開發創新的化學儲能形式，包括從陽光、CO2和水生產燃料的手段。