劉志成，伊曉東，高飛雪,＊，謝在庫，韓布興，孫予罕，何鳴元，楊俊林

1中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，綠色化工與工業(yè)催化國家重點實驗室，上海201208

2國家自然科學基金委員會化學科學部，北京，100085

3中國石油化工股份有限公司，北京 100728

4中國科學院化學研究所，北京分子科學國家研究中心，北京 100190

5中國科學院上海高等研究院，低碳能源轉(zhuǎn)化技術(shù)中心，上海 201203

6華東師范大學化學系，上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室，上海 200062

二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局，經(jīng)過深思熟慮做出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。雙碳目標需要能源革命、技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)變革，而關(guān)鍵環(huán)節(jié)是技術(shù)變革，其重要基礎(chǔ)是科學理論的突破。2021年9月13–14日，國家自然科學基金委員會(以下簡稱自然科學基金委)第292期雙清論壇在北京成功舉辦。論壇以“綠色碳科學：雙碳目標下的科學基礎(chǔ)”為主題，由自然科學基金委化學科學部、數(shù)理科學部、工程與材料科學部、交叉科學部和計劃與政策局聯(lián)合主辦。中國石化集團公司謝在庫院士、華東師范大學何鳴元院士和中國科學院化學研究所韓布興院士共同擔任論壇執(zhí)行主席。李靜海院士、侯增謙院士、彭蘇萍院士、段雪院士、包信和院士、張濤院士、張鎖江院士、劉中民院士、何雅玲院士、吳驪珠院士、施劍林院士、劉正東院士、蘇寶連院士以及來自高等院校、中科院、中國石化、中海油、中國鋼研、中國建材等共32家單位的40余位專家學者出席，另有10余位專家在線參加。與會專家深入剖析了雙碳目標下，以“能源、工業(yè)、數(shù)字、二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)”四大變革為核心的科技前沿，凝練了變革性技術(shù)背后的關(guān)鍵科學問題和可能的解決途徑，為自然科學基金委下一步制定碳中和基礎(chǔ)研究行動計劃與資助方案提供參考。

1 “綠色碳科學”是實現(xiàn)雙碳目標的科學基礎(chǔ)

資源和環(huán)境是經(jīng)濟可持續(xù)增長的決定性因素。在應(yīng)對全球氣候變化的背景下，碳基能源的增效減排及其合理利用關(guān)系到國計民生的大局，多元、低碳、循環(huán)和綠色清潔是能源開發(fā)利用的必然趨勢1,2。近年來，世界主要大國均不斷發(fā)布和調(diào)整其國家層面的能源發(fā)展規(guī)劃，大力支持基于可再生能源、智能能源系統(tǒng)、安全核電、燃氣及碳捕捉和封存技術(shù)(CCS)的多元能源架構(gòu)建設(shè)。我國從十九大報告提出“建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系”到最近提出雙碳目標，從上到下正面臨一場經(jīng)濟與社會變革，將促進我國向綠色低碳轉(zhuǎn)型升級。而其中，科學技術(shù)基礎(chǔ)將發(fā)揮先導和基石作用。

早在2011年，我國科學家何鳴元、孫予罕、韓布興等提出了綠色碳科學的理念3,4。其定義是研究和優(yōu)化碳資源加工、能源利用、碳固定、碳循環(huán)整個過程中碳化學鍵的演變和相關(guān)工業(yè)過程，使化石資源利用引起的碳失衡最小化3–7。綠色碳科學位居可持續(xù)發(fā)展、化石能源、二氧化碳的三元關(guān)系相互連貫中心點，起到支撐與協(xié)調(diào)作用8,9，并在此基礎(chǔ)上提供科學合理的“碳達峰”與“碳中和”解決方案。

綠色碳科學的目標是實現(xiàn)碳的中性平衡，它是碳能源利用與CO2排放兩個矛盾體中實現(xiàn)碳的中性平衡的科學基石。應(yīng)該辯證看待有關(guān)碳的問題，其要素一是平衡，二是循環(huán)。碳不可或缺，沒有碳、溫室效應(yīng)，就沒有生命和現(xiàn)代文明，化石能源是當今世界能源與經(jīng)濟的基礎(chǔ)；但是，化石能源的過度使用使CO2排放不斷增加，也帶來全球氣候惡化的風險。

綠色碳科學的基礎(chǔ)是對立統(tǒng)一的氧化還原化學。這構(gòu)成了能源化學研究前沿，包括氧化和還原相輔相成的碳能系統(tǒng)，基于碳、氫、氧三元素及衍生的有機物、氫、二氧化碳、水等多種分子所組成的物質(zhì)系統(tǒng)，以及它們之間發(fā)生化學鍵演變而反應(yīng)生成眾多的分子。

綠色碳科學的發(fā)展可分為四個層次：第一個層次是碳資源的優(yōu)化，就是碳的加工過程中以碳的原子經(jīng)濟性衡量并優(yōu)化其能源與化工利用；第二個層次強化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用以盡量少用化石資源，這相當于光合作用與化學過程相結(jié)合實現(xiàn)碳循環(huán)；第三個層次以碳的化學循環(huán)補償碳自然界循環(huán)，包括CO2的捕集和資源化利用；第四個層次是可再生資源轉(zhuǎn)化，如開發(fā)利用可再生能源實現(xiàn)CO2和水反應(yīng)制備燃料與化學品的新反應(yīng)途徑。

當前，綠色碳科學主要涉及六方面的科學問題：分子活化形成反應(yīng)中間體及其所決定的反應(yīng)路徑選擇性；氫和水及水中氫利用策略；氧化還原新體系和新材料；有效轉(zhuǎn)化涉及的跨尺度傳遞；二氧化碳、生物質(zhì)化工及工程科學；工程熱化學等。

2 能源與工業(yè)材料行業(yè)的低碳科學技術(shù)研究進展綜述

2.1 化石能源低碳化進展

采用綠色碳科學理念，通過提高石油、煤、天然氣的過程能效與轉(zhuǎn)化利用率，并加大天然氣等低碳資源開發(fā)力度等技術(shù)，可以促進實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源低碳化。我國科學家提出了分子篩催化劑“超籠利用率”概念，在對雙分子催化裂化反應(yīng)機理、催化劑稀土離子調(diào)控、變徑流化床反應(yīng)工藝技術(shù)等系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，近年來解決了許多重油加工、清潔汽油生產(chǎn)、低碳煉化、多產(chǎn)烯烴等技術(shù)難題10–12。而按綠色碳科學原理分析，石油煉制過程在碳高效利用、碳氫優(yōu)化分布、低碳化等方面仍有較大的改進空間。在石油化工生產(chǎn)基本有機化工品技術(shù)方面2，利用副產(chǎn)資源或生物基原料是一條可行的低碳路徑，如以生物質(zhì)乙醇為原料的乙苯生產(chǎn)技術(shù)，可以有效降低乙苯產(chǎn)品的碳足跡13。

煤化工的低碳化利用日益得到倡導和重視14，其中煤氣化得到的合成氣(H2+CO)通過碳的成鍵合成燃料和化學品是重要的煤化工過程，其CO2排放主要來源于水煤氣變換(WGS)。其低碳化技術(shù)主要分兩類，一類是合成氣制含氧化學品，即在溫和條件下合成高含氧量的燃料和化學品(醇、醛、酸和酯等)可大幅度降低碳排放15,16；另一類是低碳費托合成烴類化學品，如采用鈷替代鐵催化劑以避免生成大量WGS活性中心而減少CO2排放17。特別是，氧化物與分子篩催化劑組合(OX-ZEO)18或接力催化19可以突破ASF分布的限制，實現(xiàn)一步高選擇性合成目標烴類產(chǎn)品20。

研究天然氣直接轉(zhuǎn)化的有效方法與過程已取得積極進展21。我國科學家制備了單中心低價鐵原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格的催化劑22，實現(xiàn)了甲烷分子高溫下經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)直接生成乙烯和其它高碳芳烴分子，產(chǎn)物的碳原子利用效率接近100%。此外，天然氣與CO2催化重整制合成氣技術(shù)已完成中試并建立了工業(yè)示范裝置23,24，低碳烷烴脫氫或選擇氧化研究取得了新進展25。

2.2 可再生能源及氫能研究進展

我國可再生能源發(fā)電裝機總規(guī)模已居世界第一，但可再生能源發(fā)電波動性大、規(guī)?；⒕W(wǎng)影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行，亟需儲能技術(shù)的支撐。目前全球的鈉硫電池、鋰離子電池、鉛炭電池儲能等技術(shù)已進入準商業(yè)應(yīng)用階段，液流電池儲能、熔巖儲熱仍處于工程示范階段，而壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容儲能尚處于工程樣機演示試驗階段，超導儲能和氫儲能則處于可行性研究論證之中26,27。我國在電化學儲能，尤其是鋰離子電池、鉛炭電池和全釩液流電池等方面的研發(fā)和應(yīng)用處于國際先進水平。其中，全釩液流電池仍面臨能量密度低、成本過高等挑戰(zhàn)，在風電等大型儲能領(lǐng)域尚處試驗或示范階段28,29。

氫能是未來銜接電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)、能源生產(chǎn)消費低碳化、綠色交通等多個領(lǐng)域的“橋梁”，其關(guān)鍵是如何高效獲得綠氫。電解水制氫已受廣泛關(guān)注，但高成本制約了其發(fā)展。目前主流的三類電解水制氫技術(shù)中30，堿性水電解(AEL)成本最低、經(jīng)濟性好，已成功工業(yè)應(yīng)用，但對可再生能源變化的適應(yīng)性較低。質(zhì)子交換膜純水電解(PEM)與可再生能源的功率變化適應(yīng)性更匹配，產(chǎn)氫純度高、氫氣壓力大、占地面積小，是當前各國研究的主要方向，目前正在進行兆瓦級示范驗證。雖然高溫水蒸汽電解(SOEC)效率高，但最不成熟，仍處于實驗室研發(fā)階段31。此外，電解水的陽極析氧反應(yīng)經(jīng)歷復(fù)雜的四電子反應(yīng)過程，嚴重制約了產(chǎn)氫電能利用效率，因此，將析氫析氧過程與重要的工業(yè)合成反應(yīng)耦合可顯著提升兩極反應(yīng)的效率32,33。

在核能方面，我國已建成全球首座商用規(guī)模的、第四代高溫氣冷堆示范核電站，使得核能利用更加安全、高效、經(jīng)濟，且可以實現(xiàn)模塊化、小型化34，后續(xù)有待與制氫、儲能、熱蒸汽、制合成氣、電化學等工業(yè)過程結(jié)合。

在太陽能人工光合作用方面，我國科學家通過模擬光合作用系統(tǒng)PSI和系統(tǒng)PSII工作原理，開發(fā)了高效、穩(wěn)定的可見光催化制氫制氧和二氧化碳還原體系35；發(fā)展了提高光化學反應(yīng)選擇性、惰性鍵活化和人工光合成的新策略、新體系和新反應(yīng)，創(chuàng)建“放氫交叉偶聯(lián)”反應(yīng)36，在常溫常壓下實現(xiàn)了苯和氨氣一步合成苯胺、苯和水一步合成苯酚反應(yīng)路線。在工業(yè)研究方面，我國企業(yè)歷經(jīng)15年發(fā)展了微藻光合作用用于工廠的CO2/NOx減排和生產(chǎn)高蛋白生物質(zhì)的新技術(shù)37，解決了藻種選育、光生物反應(yīng)器、CO2/NOx捕集、規(guī)?；B(yǎng)殖/采收等關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.3 二氧化碳及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化進展

以可再生能源制氫、再利用二氧化碳加氫合成甲醇的循環(huán)模式被科學界和企業(yè)界認為是應(yīng)對油氣時代過后能源緊缺問題的一條解決途徑38,39。我國科學家提出了以液態(tài)陽光甲醇為核心的低碳化路徑40，包含了太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫和二氧化碳加氫合成甲醇這三個重要環(huán)節(jié)，其中電解水制氫和二氧化碳加氫制甲醇兩項關(guān)鍵核心技術(shù)已取得創(chuàng)新突破41。此外，國內(nèi)多家研究機構(gòu)對CO2與環(huán)氧化物環(huán)加成反應(yīng)合成碳酸乙烯酯(EC)、再經(jīng)醇解合成乙二醇的轉(zhuǎn)化路線已達到國際領(lǐng)先水平，其中，離子液體催化CO2轉(zhuǎn)化制備碳酸二甲酯/乙二醇綠色工藝已在世界首套萬噸級工業(yè)裝置上實現(xiàn)應(yīng)用42。

基于水、CO2、電催化的電化學系統(tǒng)是實現(xiàn)可再生能源與化石能源體系的共存與結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，我國科學家在CO2電還原的研究成果備受關(guān)注，例如，研究工業(yè)級電流密度的堿性膜CO2電解器使電化學碳循環(huán)成為可能43–45，耦合陰極電催化還原CO2(CO2RR)和陽極氧化反應(yīng)過程實現(xiàn)了有機分子陽極氧化并合成甲酸、乙醇酸等高附加值化學品46。

生物質(zhì)在綠色碳科學框架中起到承上啟下的作用47。生物質(zhì)資源主要包括木質(zhì)生物質(zhì)、動植物油脂、淀粉等，其主要化學組成是碳、氫和氧，其中，木質(zhì)纖維生物質(zhì)來源豐富，每年全球產(chǎn)量高達2000億噸，其資源化利用尤其重要。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化有三條路徑47–61。一是先生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣或甲烷，然后合成燃料或化學品。二是通過熱裂解變成生物油，再加氫轉(zhuǎn)化得到液體燃料或化學品；這兩種熱化學法的優(yōu)點是原料普適性強、利用率高，缺點是轉(zhuǎn)化溫度高。三是水解法，先將木質(zhì)纖維素分離成纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，然后分別轉(zhuǎn)化利用。此方法的主要優(yōu)點是操作條件較溫和，可根據(jù)原料特性合成目標產(chǎn)品等，缺點是前處理分離過程復(fù)雜、原料利用率較低等。雖然生物質(zhì)利用還有許多科學和技術(shù)問題有待解決，但發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

2.4 材料與冶金工業(yè)低碳化進展

建材行業(yè)碳排放主要來源于水泥生產(chǎn)，而水泥生產(chǎn)的碳排放主要來源于熟料燒成階段，因此，降低水泥生產(chǎn)碳排放的重點是降低熟料燒成的化石能源消耗和降低石灰石的用量。降低化石能源消耗的技術(shù)途徑有提高能源效率技術(shù)、替代能源技術(shù)，降低石灰石用量的主要技術(shù)途徑有原材料替代技術(shù)、新型低碳水泥熟料技術(shù)62。上述四類技術(shù)部分已相對成熟，如高效冷卻技術(shù)、高效粉磨技術(shù)和余熱發(fā)電技術(shù)等；部分處于研發(fā)和示范階段，如大比例替代燃料技術(shù)、高貝利特硅酸鹽熟料生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)、高貝利特硫(鐵)鋁酸熟料生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)等；部分仍處于技術(shù)模型研發(fā)階段，如新能源(包括綠氫、光伏、微波、紅外等)煅燒水泥熟料技術(shù)。CCUS是建材行業(yè)實現(xiàn)碳中和的“兜底”技術(shù)手段，與熟料煅燒過程結(jié)合的全氧燃燒后捕集技術(shù)被認為是最經(jīng)濟的碳捕集手段。

改革開放以來，我國在火電及電站裝備、鋼鐵制造業(yè)的整體水平逐漸居于世界前列63。我國鋼鐵生產(chǎn)工藝以“高爐+轉(zhuǎn)爐”為主，流程長且以焦炭為主要能源和原料，直接導致鋼鐵位列制造業(yè)碳排放首位。除壓減產(chǎn)能外，發(fā)展綠色鋼鐵冶金技術(shù)勢在必行。例如，以熔融還原煉鐵為代表的非高爐煉鐵工藝64，由于不使用焦炭而具有低成本、低能耗、低碳、低排放等優(yōu)點。此外，近年來一些以高溫熔鹽為介質(zhì)的短流程冶金技術(shù)，如惰性陽極技術(shù)、熔鹽電解冶金原位耦合固碳技術(shù)等正蓬勃發(fā)展65,66。

3 未來的機遇與挑戰(zhàn)

雙碳目標將倒逼我國能源結(jié)構(gòu)變革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，該進程中挑戰(zhàn)與機遇并存。與會專家深入分析化石能源優(yōu)化利用、可再生能源規(guī)模化發(fā)展和CO2高效轉(zhuǎn)化利用等領(lǐng)域涉及的能源科學基礎(chǔ)，研討我國雙碳演進的階段特征和科技需求，總結(jié)出實現(xiàn)雙碳目標的四大主要路徑。

化石能源優(yōu)化利用是關(guān)鍵。即“低碳”路徑，通過提高石油、煤、天然氣的過程能效與轉(zhuǎn)化效率，并加大天然氣等低碳資源開發(fā)力度，構(gòu)建智能煉化工廠，實現(xiàn)傳統(tǒng)能源低碳化。圍繞化石能源低碳化催化新技術(shù)，與會科學家提出了靶向催化、接力催化、等級催化等許多新思路，其核心思想是設(shè)計和利用反應(yīng)的耦合、過程的耦合、熱電光等能量的耦合。同時，需重視工程熱化學和智能控制技術(shù)研究67，推動實現(xiàn)工藝過程的節(jié)能降耗與高效低碳。

氫能高效獲取和替代碳資源是核心?？稍偕茉窗l(fā)電具有不穩(wěn)定的先天缺點，將可再生能源發(fā)電與氫能源結(jié)合，就會產(chǎn)生良好的效果；以氫能的形式進行儲能，具備長時間、大規(guī)模、能有效運輸?shù)忍匦?，足以?yīng)對季節(jié)性變化帶來的儲能需求。此外，可再生能源發(fā)電技術(shù)進步也使低成本制氫看到了希望。未來，低成本的氫氣與煤化工、石油化工、鋼鐵冶金、水泥建材等工業(yè)過程結(jié)合，有望大幅降低傳統(tǒng)工業(yè)過程的碳排放。氫能在實現(xiàn)未來碳中和方面將發(fā)揮重要作用，這需要從發(fā)電、制氫到用氫的整個氫能源鏈協(xié)同。

可再生能源規(guī)模化利用是根本。即是“零碳”路徑，改變對化石資源的依賴，加快可再生能源開發(fā)利用，開發(fā)高效太陽能與大型風電技術(shù)、儲能技術(shù)、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)等。其中，儲能技術(shù)是推動可再生能源從替代能源走向主體能源的關(guān)鍵，需要部署大量的物理或電化學儲能、儲熱、制氫與燃料電池研發(fā)和應(yīng)用示范項目，使儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用成為未來能源轉(zhuǎn)型的支柱之一。另外，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用是減小碳循環(huán)失衡的重要途徑，需重視生物質(zhì)分子的獨特結(jié)構(gòu)，在盡可能少斷裂化學鍵的條件下制備高品質(zhì)燃料和重要化學品。

CO2處理與負碳技術(shù)是未來。即“固碳或負碳”路徑，推進CO2吸附與高效分離、CO2捕集與封存、CO2轉(zhuǎn)化為高附加值的化學品或材料。目前全球每年有約2億噸的CO2化學轉(zhuǎn)化為尿素、無機碳酸鹽、CO、水楊酸、碳酸酯等化工產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化規(guī)模遠不能滿足碳中和目標的要求。因此，需研究開發(fā)大規(guī)模的CO2資源化利用新技術(shù)，包括CO2加氫制甲醇、甲烷或油品，CO2-甲烷重整制合成氣，CO2-焦炭還原制CO，CO2與環(huán)氧化合物反應(yīng)合成有機碳酸酯、CO2電催化合成化學品和燃料技術(shù)等。著眼長遠，還需關(guān)注光催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、等離子技術(shù)等。這些過程的關(guān)鍵是開發(fā)新型催化材料，提高選擇性和能量利用率。

總之，專家們的基本共識是走“從高碳到低碳，最終趨向碳循環(huán)乃至無碳排放”的道路，并且在碳達峰期、減碳期、碳中和期三個階段有不同的側(cè)重點：化石能源低碳化技術(shù)是碳達峰期突破的重點，可再生能源/資源利用與大規(guī)模CCUS技術(shù)將在減碳期和碳中和期實現(xiàn)突破。

4 關(guān)鍵科學問題的凝練

面向能源變革、工業(yè)變革、數(shù)字變革、CCUS技術(shù)等科技前沿，基于反應(yīng)耦合、過程耦合、熱電光等，研究物質(zhì)平衡、能量平衡以及耦合調(diào)控機制，揭示碳、氫、氧化學鍵演變規(guī)律及其背后的科學問題——“綠色碳科學”。主要凝練了六個方面的科學問題。

一是工業(yè)過程低碳化問題。為了高效利用碳資源、優(yōu)化碳氫分布，需要研究碳活性物種生成、傳輸?shù)冗^程中反應(yīng)中間體的演化規(guī)律與氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)規(guī)律，揭示碳氫氧三元體系在氧化還原反應(yīng)過程中的化學鍵轉(zhuǎn)化、重組和演化規(guī)律，研究提高反應(yīng)物催化轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)物選擇性的調(diào)控方法等。

二是氫能源問題。為了高效轉(zhuǎn)化可再生能源、低能耗斷裂氫氧鍵制氫，需要研究大規(guī)模、低成本、高效的制氫、儲氫、用氫等系列關(guān)鍵科學問題，解決電解水制氫過程相關(guān)的電極材料、膜材料、電解催化劑、陰陽極電解耦合、電堆設(shè)計制造等涉及的相關(guān)科學技術(shù)難題。

三是儲能問題。需要研究儲能技術(shù)基礎(chǔ)理論、新型儲能材料、系統(tǒng)建設(shè)等關(guān)鍵科學問題，研發(fā)低成本、大容量、長時間、跨季節(jié)調(diào)節(jié)的各種儲能技術(shù)，并研究解決智能電網(wǎng)儲能技術(shù)與系統(tǒng)層面的高效匹配，研究電化學儲能的安全、消防和環(huán)?；厥盏认嚓P(guān)科學技術(shù)問題。

四是生物質(zhì)資源化利用問題。針對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等的氫鍵破壞、解聚、分離提純與定向合成等關(guān)鍵科學問題，需要利用工程熱化學研究生物質(zhì)熱解機制、生物質(zhì)氣化與分布式利用等，并研究高選擇性裁剪生物質(zhì)平臺分子的碳碳鍵、碳氧鍵、羥基等催化材料與催化工藝，實現(xiàn)精準催化轉(zhuǎn)化合成生物航空燃料及高附加值化學品等。

五是CCUS問題。針對工業(yè)裝置尾氣中CO2的集中排放、捕集、吸附分離問題，需要研究CO2高效活化與定向催化轉(zhuǎn)化機制、化學工藝原理、CO2電催化轉(zhuǎn)化、與可再生能源耦合機制等。

六是信息大數(shù)據(jù)分析與工業(yè)人工智能控制問題?；诖髷?shù)據(jù)分析、信息、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)，需要研究流程工業(yè)碳排放的實時檢測和動態(tài)監(jiān)測、碳排放的智能預(yù)測和回溯、生產(chǎn)全流程智能低碳運行與協(xié)同優(yōu)化。

5 圍繞雙碳目標的科學技術(shù)基礎(chǔ)與未來研究重點方向

5.1 化石能源低碳利用的化學化工基礎(chǔ)

石油煉制行業(yè)中催化裂化裝置的碳減排非常重要，發(fā)展高效生產(chǎn)低碳烯烴的靶向催化裂化工藝，結(jié)合純氧再生技術(shù)使再生過程的CO2富集處理，有望優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大幅度降低焦炭產(chǎn)率，實現(xiàn)CO2近零排放。

在大宗石油化工化學品的生產(chǎn)中，基本有機原料的化學鍵演變與產(chǎn)物的提質(zhì)純化過程是主要的能源消耗與碳排放源，亟需發(fā)展副產(chǎn)資源高效利用、生物來源原料的催化技術(shù)等綠色低碳石油化工技術(shù)，以提高產(chǎn)品綠色化程度和降低碳足跡。

促進石油化工與煤化工融合是重要的節(jié)能減碳發(fā)展方向，如石腦油與煤基甲醇耦合制烯烴、煤化工與綠氫或儲能過程融合、煤氣化主產(chǎn)一氧化碳技術(shù)等。

研究合成氣轉(zhuǎn)化低碳化新技術(shù)，例如，利用中間體導向接力催化和光/電誘導C1分子可控C–C偶聯(lián)等C1化學新策略，提高C1分子轉(zhuǎn)化選擇性；探索合成氣經(jīng)費托制烯烴(FTO)的低碳化新路線，突破反應(yīng)平衡分布，抑制水煤氣副反應(yīng)甲烷生成。

5.2 二氧化碳資源化利用的催化基礎(chǔ)

國際能源署預(yù)測，2050年CO2化學用于能源載體和燃料的潛力約為每年3–6億噸CO2。其捕集與資源化利用，將在減緩氣候變化、緩解化石燃料消耗、部分替代化石原料生產(chǎn)方式等方面發(fā)揮巨大作用。

CO2資源化主要難題是它的碳氧雙鍵活化困難，這種惰性氣體特性使其資源化利用過程中要吸收大量的外部能量。而且，現(xiàn)階段CO2排放雖然總量大，但濃度低，將其聚集的能耗大、成本高，難以直接利用。在雙碳目標牽引下，未來能源結(jié)構(gòu)中可再生能源比重將不斷提高，二氧化碳資源化利用與可再生能源制氫或其它含氫資源耦合非常重要。在發(fā)展CO2加氫制甲醇技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)含氧中間體的雙功能催化路線，進一步拓展“液態(tài)陽光”的核心技術(shù)路線，有望實現(xiàn)CO2高效加氫合成碳中性液體燃料或乙醇、烯烴、芳烴等。另外，富二氧化碳天然氣超干重整制合成氣以及耦合低碳烯烴氫甲?；聘咛即己婉詈霞妆郊状贾贫妆降募夹g(shù)也是重要方向。未來大規(guī)模的CCUS技術(shù)突破是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵之一，需要研究開發(fā)節(jié)能減排新技術(shù)、負碳的CO2高效活化與定向轉(zhuǎn)化新技術(shù)、大規(guī)模的CO2的集中排放-捕集-分離-轉(zhuǎn)化-循環(huán)的工業(yè)新技術(shù)等。

5.3 綠氫工程及可再生能源利用的技術(shù)基礎(chǔ)

隨著未來可再生能源發(fā)電占比提高，發(fā)展綠色氫能技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的重要途徑之一。氫是聯(lián)系化石能源、可再生能源、高能耗工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。高溫固體氧化物電池(SOEC)制氫在三種主流技術(shù)中能量轉(zhuǎn)化效率最高，其電堆制造的材料與工程化技術(shù)是重要方向。隨著高溫氣冷堆的核電技術(shù)的發(fā)展，未來核電技術(shù)有待與制氫及工業(yè)碳減排過程結(jié)合。

圍繞未來可再生能源電力的充分利用，專家從電化學角度出發(fā)提出了廣義氫能體系的概念和提升電催化選擇性的表面化學場耦合電催化的學術(shù)思想，并指出CO2電解轉(zhuǎn)化與電解水制氫、氫能燃料電池技術(shù)有望成為電化學氫能技術(shù)發(fā)展的新引擎。其中，利用有機分子的陽極催化氧化替代氧氣氧化，有利于降低過電位，促進CO2還原制化學品和燃料；將陰陽兩極的析氫、析氧過程與重要的工業(yè)合成反應(yīng)耦合，有望實現(xiàn)高效電解水產(chǎn)氫與高附加值化學品的綠色合成。

風能、太陽能等可再生能源電力存在波動性、并網(wǎng)難的先天缺點，而大規(guī)模儲能技術(shù)是未來構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)雙碳目標的關(guān)鍵核心技術(shù)。盡管目前已經(jīng)開發(fā)出全釩液流電池、鋅空氣電池、鋰(或鈉)電池、液態(tài)金屬電池等大規(guī)模儲能技術(shù)，但種類少、價格高、規(guī)模不夠大，不論科學和技術(shù)上都有待進一步研究發(fā)展。

針對未來太陽能的利用，太陽能電池板未來可能向芯片發(fā)展，開發(fā)先進的疊層光伏電池技術(shù)，把硅電池和其他電池疊在一起、讓光譜重合，有望提高太陽能利用效率。另外，構(gòu)建人工光合成系統(tǒng)，開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價的可見光催化制氫、制氧和二氧化碳還原體系，創(chuàng)建“放氫交叉偶聯(lián)”反應(yīng)，有望實現(xiàn)光化學反應(yīng)的重要應(yīng)用。

5.4 生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用的科學技術(shù)基礎(chǔ)

生物質(zhì)產(chǎn)量很大，其高效轉(zhuǎn)化利用是一項長期的任務(wù)。生物質(zhì)制備液體燃料，目前油價條件下只能小部分替代。現(xiàn)在的生物柴油技術(shù)相對比較成熟，但它的原料非常有限。生物質(zhì)能源系統(tǒng)的用能方式需要變革，如采用分布式的方式。生物質(zhì)作為碳氫氧資源，具有特定的結(jié)構(gòu)，如何與大自然接力把生物質(zhì)結(jié)構(gòu)充分的利用，通過催化手段、基于精準的剪裁等制得高附加值的化學品，是值得大力研究的方向。將“脫氧”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝醚酢币詫崿F(xiàn)“碳-氧聯(lián)用”的生物質(zhì)制備燃料與含氧化學品及材料是重要方向。

從纖維素、半纖維素、木質(zhì)素出發(fā)，破壞氫鍵網(wǎng)絡(luò)，對碳碳鍵、碳氧鍵、羥基進行選擇性的裁減，可合成二元醇、二元酸、芳烴和酚類等。利用糠醛、乙酰丙酸等大規(guī)模原料，可定向催化轉(zhuǎn)化制備戊酸酯類含氧燃料，以及制備芳綸等高端材料的呋喃二甲酸單體等。為減少航空業(yè)的碳排放，需按階段發(fā)展生物航油，包括費托合成噴氣燃料、生物油脂加氫制噴氣燃料、醇基噴氣燃料、生物煉制噴氣燃料等。

5.5 工業(yè)過程的低碳、負碳路線

針對我國典型的高能耗、高排放的工業(yè)過程，專家按行業(yè)分類提出技術(shù)發(fā)展規(guī)劃及重點發(fā)展的行業(yè)先進綠色零碳/低碳技術(shù)。從全生命周期的角度考慮實現(xiàn)碳中和目標，提出了熔鹽電解原位耦合固碳技術(shù)，與金屬二次資源發(fā)生熔鹽電解原位耦合反應(yīng)固碳并釋放氧氣，實現(xiàn)高性能碳化物產(chǎn)品制備。

對于我國鋼鐵和火電產(chǎn)業(yè)，應(yīng)走高質(zhì)量、低碳化發(fā)展的道路，推動研究低碳冶金等變革性技術(shù)，有序發(fā)展電爐短流程工藝，推動廢鋼資源回收利用技術(shù)體系建設(shè)。

建材行業(yè)80%碳排放來源于水泥生產(chǎn)。綜合考量碳減排成本、技術(shù)可行性、資源可用性，需求下降、能效提升、替代燃料、碳捕捉技術(shù)、新型水泥等是加速推動水泥建材行業(yè)碳減排的重要抓手。

在廢塑料循環(huán)利用路徑中，熱解法化學回收技術(shù)是當前可行的技術(shù)，所生產(chǎn)的低雜質(zhì)熱解油可作為原油替代物去往煉化企業(yè)，有望使碳足跡大大降低。

目前合成氨工業(yè)能耗高、碳排放量大，但氨也是氫的優(yōu)良載體68。因此，未來“清潔低壓合成氨-安全高效儲運氨-無碳用氨”的綠色技術(shù)路線有待研究發(fā)展和推行69,70。

此外，通過大數(shù)據(jù)、人工智能、流程生產(chǎn)智能控制、區(qū)塊鏈等數(shù)字化手段將系統(tǒng)地改變能源的整個產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)體系71。

5.6 化學鍵構(gòu)建的催化基礎(chǔ)與理性設(shè)計

CO2的資源化利用、綠氫生產(chǎn)和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用都極大地依賴于開發(fā)更有效的多相催化過程以及發(fā)展更高性能的多相催化劑。這要求我們能夠超越傳統(tǒng)的“試錯”范式，結(jié)合表面表征技術(shù)和理論模擬，從分子尺度到材料尺度理解催化，實現(xiàn)多相催化劑的理性設(shè)計。未來應(yīng)研究發(fā)展能兼顧精度和效率、原位模擬多相催化過程的動力學新方法72–74。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)該注重原位下的理論分析，合理化大量微觀基元反應(yīng)和宏觀催化性能的關(guān)聯(lián)，以揭示催化劑的構(gòu)效關(guān)系。

多相催化的復(fù)雜性一直是人們面對的巨大挑戰(zhàn)，因此催化化學中的基本科學問題的探索必須依賴于從復(fù)雜體系中所抽取出的模型催化體系的研究75–77。未來，模型催化體系微觀層次的研究有可能為催化化學發(fā)展帶來新的視角和啟示。

鑒于多相催化過程中反應(yīng)耦合與過程耦合的復(fù)雜性，并借鑒大自然生物或人體系統(tǒng)的等級結(jié)構(gòu)，未來需要發(fā)展“等級催化”78，即構(gòu)建組裝多功能的活性位、孔結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的傳熱、擴散與催化反應(yīng)效率。

6 思考與建議

對于基金委制定“面向‘雙碳’目標的基礎(chǔ)研究行動計劃“，有如下建議：

(1)為了夯實綠色碳科學基礎(chǔ)，引領(lǐng)和激發(fā)變革性技術(shù)出現(xiàn)，建議基金委設(shè)立包括“綠色碳科學：雙碳目標下的化學化工、能源與材料科學基礎(chǔ)”等若干跨領(lǐng)域的重大研究計劃或重點計劃群，并且按階段、分重點持續(xù)投入、堅持研究。

(2)圍繞雙碳目標，面對能源與工業(yè)變革的復(fù)雜系統(tǒng)，面對多層次、多尺度及介尺度復(fù)雜性，探索知識體系的邏輯與架構(gòu)，需要系統(tǒng)思維、變革科研方式，需要利用介尺度科學的方法與思路79，突破復(fù)雜系統(tǒng)的創(chuàng)新瓶頸。

(3)構(gòu)建產(chǎn)學研聯(lián)動的內(nèi)外部資源協(xié)同創(chuàng)新體系。建議成立碳中和戰(zhàn)略研究中心，聯(lián)合技術(shù)分析、產(chǎn)業(yè)分析、成本分析、大數(shù)據(jù)分析與市場分析，承擔戰(zhàn)略研究任務(wù)。建議促進示范基地和低碳發(fā)展的工業(yè)園區(qū)的建立，銜接石化、化工、建材、冶金、核能、電力等行業(yè)，把過去各自分散的工廠集中，形成融合的技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、區(qū)塊鏈，并實現(xiàn)智能化的系統(tǒng)聯(lián)控。

致謝：感謝為第292期雙清論壇“綠色碳科學：雙碳目標下的科學基礎(chǔ)”作出貢獻的40余位專家學者，以及相關(guān)的部門領(lǐng)導！感謝論壇執(zhí)行主席、秘書組成員、論壇工作組和中國石化上海石油化工研究院的會務(wù)協(xié)辦！