绿色碳科学：双碳目标下的科学基础(国家自然科学基金委员会第292期“双清论坛”学术综述)

　　2021年9月13–14日，国家自然科学基金委员会第292期双清论坛在北京成功举办。论坛以“绿色碳科学：双碳目标下的科学基础”为主题，由自然科学基金委化学科学部、数理科学部、工程与材料科学部、交叉科学部和计划与政策局联合主办。

　　中国石化集团公司谢在库院士、华东师范大学何鸣元院士和中国科学院化学研究所韩布兴院士共同担任论坛执行主席。李静海院士、侯增谦院士、彭苏萍院士、段雪院士、包信和院士、张涛院士、张锁江院士、刘中民院士、何雅玲院士、吴骊珠院士、施剑林院士、刘正东院士、苏宝连院士以及来自高等院校、中科院、中国石化、中海油、中国钢研、中国建材等共32家单位的40余位专家学者出席，另有10余位专家在线参加。

　　与会专家深入剖析了双碳目标下，以“能源、工业、数字、二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)”四大变革为核心的科技前沿，凝练了变革性技术背后的关键科学问题和可能的解决途径，为自然科学基金委下一步制定碳中和基础研究行动计划与资助方案提供参考。

　　近日，中国石油化工股份有限公司刘志成联合国家自然科学基金委、中国科学院等机构科研人员基于第292期“双清论坛”，阐述了“绿色碳科学”理念的科学内涵，综述了当前我国能源与材料科技领域低碳化科学技术的研究进展、相关挑战与未来机遇，凝练了双碳目标的实现路径、关键科学问题、未来研究方向。相关研究成果1月11日以《绿色碳科学：双碳目标下的科学基础——第292 期“双清论坛”学术综述》为题在《物理化学学报》进行了网络首发。

　　资源和环境是经济可持续增长的决定性因素。早在2011年，我国科学家何鸣元、孙予罕、韩布兴等提出了绿色碳科学的理念。绿色碳科学是研究和优化碳资源加工、能源利用、碳固定、碳循环整个过程中碳化学键的演变和相关工业过程，使化石资源利用引起的碳失衡最小化。绿色碳科学位居可持续发展、化石能源、二氧化碳的三元关系相互连贯中心点，起到支撑与协调作用，并在此基础上提供科学合理的“碳达峰”与“碳中和”解决方案。

　　绿色碳科学的基础是对立统一的氧化还原化学。这构成了能源化学研究前沿，包括氧化和还原相辅相成的碳能系统，基于碳、氢、氧三元素及衍生的有机物、氢、二氧化碳、水等多种分子所组成的物质系统，以及它们之间发生化学键演变而反应生成众多的分子。

　　绿色碳科学的发展可分为四个层次：第一个层次是碳资源的优化，就是碳的加工过程中以碳的原子经济性衡量并优化其能源与化工利用；第二个层次强化生物质转化利用以尽量少用化石资源，这相当于光合作用与化学过程相结合实现碳循环；第三个层次以碳的化学循环补偿碳自然界循环，包括CO₂的捕集和资源化利用；第四个层次是可再生资源转化，如开发利用可再生能源实现CO2和水反应制备燃料与化学品的新反应途径。

　　一、关键科学问题的凝练

　　面向能源变革、工业变革、数字变革、CCUS技术等科技前沿，基于反应耦合、过程耦合、热电光等，研究物质平衡、能量平衡以及耦合调控机制，揭示碳、氢、氧化学键演变规律及其背后的科学问题——“绿色碳科学”。主要凝练了六个方面的科学问题。

　　一是工业过程低碳化问题。为了高效利用碳资源、优化碳氢分布，需要研究碳活性物种生成、传输等过程中反应中间体的演化规律与氢转移反应规律，揭示碳氢氧三元体系在氧化还原反应过程中的化学键转化、重组和演化规律，研究提高反应物催化转化率与产物选择性的调控方法等。

　　二是氢能源问题。为了高效转化可再生能源、低能耗断裂氢氧键制氢，需要研究大规模、低成本、高效的制氢、储氢、用氢等系列关键科学问题，解决电解水制氢过程相关的电极材料、膜材料、电解催化剂、阴阳极电解耦合、电堆设计制造等涉及的相关科学技术难题。

　　三是储能问题。需要研究储能技术基础理论、新型储能材料、系统建设等关键科学问题，研发低成本、大容量、长时间、跨季节调节的各种储能技术，并研究解决智能电网储能技术与系统层面的高效匹配，研究电化学储能的安全、消防和环保回收等相关科学技术问题。

　　四是生物质资源化利用问题。针对纤维素、半纤维素和木质素等的氢键破坏、解聚、分离提纯与定向合成等关键科学问题，需要利用工程热化学研究生物质热解机制、生物质气化与分布式利用等，并研究高选择性裁剪生物质平台分子的碳碳键、碳氧键、羟基等催化材料与催化工艺，实现精准催化转化合成生物航空燃料及高附加值化学品等。

　　五是CCUS问题。针对工业装置尾气中CO2的集中排放、捕集、吸附分离问题，需要研究CO2高效活化与定向催化转化机制、化学工艺原理、CO2电催化转化、与可再生能源耦合机制等。

　　六是信息大数据分析与工业人工智能控制问题。基于大数据分析、信息、区块链、人工智能等技术，需要研究流程工业碳排放的实时检测和动态监测、碳排放的智能预测和回溯、生产全流程智能低碳运行与协同优化。

　　二、围绕双碳目标的科学技术基础与未来研究重点方向

　　（一）化石能源低碳利用的化学化工基础

　　石油炼制行业中催化裂化装置的碳减排非常重要，发展高效生产低碳烯烃的靶向催化裂化工艺，结合纯氧再生技术使再生过程的CO₂富集处理，有望优化产品结构，大幅度降低焦炭产率，实现CO₂近零排放。

　　在大宗石油化工化学品的生产中，基本有机原料的化学键演变与产物的提质纯化过程是主要的能源消耗与碳排放源，亟需发展副产资源高效利用、生物来源原料的催化技术等绿色低碳石油化工技术，以提高产品绿色化程度和降低碳足迹。

　　促进石油化工与煤化工融合是重要的节能减碳发展方向，如石脑油与煤基甲醇耦合制烯烃、煤化工与绿氢或储能过程融合、煤气化主产一氧化碳技术等。

　　研究合成气转化低碳化新技术，例如，利用中间体导向接力催化和光/电诱导C1分子可控C–C偶联等C1化学新策略，提高C1分子转化选择性；探索合成气经费托制烯烃(FTO)的低碳化新路线，突破反应平衡分布，抑制水煤气副反应甲烷生成。

　　（二）二氧化碳资源化利用的催化基础

　　国际能源署预测，2050年CO2化学用于能源载体和燃料的潜力约为每年3–6亿吨CO2。其捕集与资源化利用，将在减缓气候变化、缓解化石燃料消耗、部分替代化石原料生产方式等方面发挥巨大作用。

　　CO₂资源化主要难题是它的碳氧双键活化困难，这种惰性气体特性使其资源化利用过程中要吸收大量的外部能量。而且，现阶段CO₂排放虽然总量大，但浓度低，将其聚集的能耗大、成本高，难以直接利用。在双碳目标牵引下，未来能源结构中可再生能源比重将不断提高，二氧化碳资源化利用与可再生能源制氢或其它含氢资源耦合非常重要。在发展CO₂加氢制甲醇技术的基础上，采用经含氧中间体的双功能催化路线，进一步拓展“液态阳光”的核心技术路线，有望实现CO₂高效加氢合成碳中性液体燃料或乙醇、烯烃、芳烃等。另外，富二氧化碳天然气超干重整制合成气以及耦合低碳烯烃氢甲酰化制高碳醇和耦合甲苯甲醇制二甲苯的技术也是重要方向。未来大规模的CCUS技术突破是实现碳中和的关键之一，需要研究开发节能减排新技术、负碳的CO₂高效活化与定向转化新技术、大规模的CO₂的集中排放-捕集-分离-转化-循环的工业新技术等。

　　（三）绿氢工程及可再生能源利用的技术基础

　　随着未来可再生能源发电占比提高，发展绿色氢能技术是实现碳中和的重要途径之一。氢是联系化石能源、可再生能源、高能耗工业的物质基础。高温固体氧化物电池(SOEC)制氢在三种主流技术中能量转化效率最高，其电堆制造的材料与工程化技术是重要方向。随着高温气冷堆的核电技术的发展，未来核电技术有待与制氢及工业碳减排过程结合。

　　围绕未来可再生能源电力的充分利用，专家从电化学角度出发提出了广义氢能体系的概念和提升电催化选择性的表面化学场耦合电催化的学术思想，并指出CO₂电解转化与电解水制氢、氢能燃料电池技术有望成为电化学氢能技术发展的新引擎。其中，利用有机分子的阳极催化氧化替代氧气氧化，有利于降低过电位，促进CO₂还原制化学品和燃料；将阴阳两极的析氢、析氧过程与重要的工业合成反应耦合，有望实现高效电解水产氢与高附加值化学品的绿色合成。

　　风能、太阳能等可再生能源电力存在波动性、并网难的先天缺点，而大规模储能技术是未来构建以新能源为主体的新型电力系统、实现双碳目标的关键核心技术。尽管目前已经开发出全钒液流电池、锌空气电池、锂(或钠)电池、液态金属电池等大规模储能技术，但种类少、价格高、规模不够大，不论科学和技术上都有待进一步研究发展。针对未来太阳能的利用，太阳能电池板未来可能向芯片发展，开发先进的叠层光伏电池技术，把硅电池和其他电池叠在一起、让光谱重合，有望提高太阳能利用效率。另外，构建人工光合成系统，开发高效、稳定、廉价的可见光催化制氢、制氧和二氧化碳还原体系，创建“放氢交叉偶联”反应，有望实现光化学反应的重要应用。

　　（四）生物质资源转化利用的科学技术基础

　　生物质产量很大，其高效转化利用是一项长期的任务。生物质制备液体燃料，目前油价条件下只能小部分替代。现在的生物柴油技术相对比较成熟，但它的原料非常有限。生物质能源系统的用能方式需要变革，如采用分布式的方式。生物质作为碳氢氧资源，具有特定的结构，如何与大自然接力把生物质结构充分的利用，通过催化手段、基于精准的剪裁等制得高附加值的化学品，是值得大力研究的方向。将“脱氧”转变为“用氧”以实现“碳-氧联用”的生物质制备燃料与含氧化学品及材料是重要方向。

　　从纤维素、半纤维素、木质素出发，破坏氢键网络，对碳碳键、碳氧键、羟基进行选择性的裁减，可合成二元醇、二元酸、芳烃和酚类等。利用糠醛、乙酰丙酸等大规模原料，可定向催化转化制备戊酸酯类含氧燃料，以及制备芳纶等高端材料的呋喃二甲酸单体等。为减少航空业的碳排放，需按阶段发展生物航油，包括费托合成喷气燃料、生物油脂加氢制喷气燃料、醇基喷气燃料、生物炼制喷气燃料等。

　　（五）工业过程的低碳、负碳路线

　　针对我国典型的高能耗、高排放的工业过程，专家按行业分类提出技术发展规划及重点发展的行业先进绿色零碳/低碳技术。从全生命周期的角度考虑实现碳中和目标，提出了熔盐电解原位耦合固碳技术，与金属二次资源发生熔盐电解原位耦合反应固碳并释放氧气，实现高性能碳化物产品制备。

　　对于我国钢铁和火电产业，应走高质量、低碳化发展的道路，推动研究低碳冶金等变革性技术，有序发展电炉短流程工艺，推动废钢资源回收利用技术体系建设。

　　建材行业80%碳排放来源于水泥生产。综合考量碳减排成本、技术可行性、资源可用性，需求下降、能效提升、替代燃料、碳捕捉技术、新型水泥等是加速推动水泥建材行业碳减排的重要抓手。

　　在废塑料循环利用路径中，热解法化学回收技术是当前可行的技术，所生产的低杂质热解油可作为原油替代物去往炼化企业，有望使碳足迹大大降低。

　　目前合成氨工业能耗高、碳排放量大，但氨 也是氢的优良载体。因此，未来“清洁低压合成氨-安全高效储运氨-无碳用氨”的绿色技术路线有待研究发展和推行。

　　此外，通过大数据、人工智能、流程生产智能控制、区块链等数字化手段将系统地改变能源的整个产业链和生态体系。

　　（六）化学键构建的催化基础与理性设计

　　CO₂的资源化利用、绿氢生产和生物质转化利用都极大地依赖于开发更有效的多相催化过程以及发展更高性能的多相催化剂。这要求我们能够超越传统的“试错”范式，结合表面表征技术和理论模拟，从分子尺度到材料尺度理解催化，实现多相催化剂的理性设计。未来应研究发展能兼顾精度和效率、原位模拟多相催化过程的动力学新方法。在此基础上，还应该注重原位下的理论分析，合理化大量微观基元反应和宏观催化性能的关联，以揭示催化剂的构效关系。

　　多相催化的复杂性一直是人们面对的巨大挑战，因此催化化学中的基本科学问题的探索必须依赖于从复杂体系中所抽取出的模型催化体系的研究。未来，模型催化体系微观层次的研究有可能为催化化学发展带来新的视角和启示。

　　鉴于多相催化过程中反应耦合与过程耦合的复杂性，并借鉴大自然生物或人体系统的等级结构，未来需要发展“等级催化”，即构建组装多功能的活性位、孔结构，以提高系统的传热、扩散与催化反应效率。

引用格式：刘志成, 伊晓东, 高飞雪, 谢在库, 韩布兴, 孙予罕, 何鸣元, 杨俊林. 绿色碳科学：双碳目标下的科学基础——第292期“双清论坛”学术综述[J]. 物理化学学报, 2112029.

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