绿色碳科学：双碳目标下的科学基础
——第期“双清论坛”学术综述
刘志成1，伊晓东2，高飞雪2,*，谢在库3,*，韩布兴4，孙予罕5，何鸣元6,*，杨俊林2
1中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，绿色化工与工业催化国家重点实验室，上海
2国家自然科学基金委员会化学科学部，北京
3中国石油化工股份有限公司，北京
4中国科学院化学研究所，北京分子科学国家研究中心，北京
5中国科学院上海高等研究院，低碳能源转化技术中心，上海
6华东师范大学化学系，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室，上海
摘要：基于第期“双清论坛”，本文阐述了“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，为自然科学基金委下一步制订碳中和基础研究行动计划与资助方案提供参考。
关键词：绿色碳科学；双碳目标；双清论坛；碳中和科学与技术；化石能源；氢能；可再生能源；CO2利用
中图分类号：O.3
,38(10),.doi:10./PKU.WHXB20
正文
二氧化碳排放力争于年前达到峰值，努力争取年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局，经过深思熟虑做出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。双碳目标需要能源革命、技术革命、产业变革，而关键环节是技术变革，其重要基础是科学理论的突破。年9月13–14日，国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)第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。
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“绿色碳科学”是实现双碳目标的科学基础
资源和环境是经济可持续增长的决定性因素。在应对全球气候变化的背景下，碳基能源的增效减排及其合理利用关系到国计民生的大局，多元、低碳、循环和绿色清洁是能源开发利用的必然趋势[1,2]。近年来，世界主要大国均不断发布和调整其国家层面的能源发展规划，大力支持基于可再生能源、智能能源系统、安全核电、燃气及碳捕捉和封存技术(CCS)的多元能源架构建设。我国从十九大报告提出“建立健全绿色低碳循环发展的经济体系”到最近提出双碳目标，从上到下正面临一场经济与社会变革，将促进我国向绿色低碳转型升级。而其中，科学技术基础将发挥先导和基石作用。
早在年，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[3,4]。其定义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[3–7]。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[8,9]，并在此基础上提供科学合理的“碳达峰”与“碳中和”解决方案。
绿色碳科学的目标是实现碳的中性平衡，它是碳能源利用与CO2排放两个矛盾体中实现碳的中性平衡的科学基石。应该辩证看待有关碳的问题，其要素一是平衡，二是循环。碳不可或缺，没有碳、温室效应，就没有生命和现代文明，化石能源是当今世界能源与经济的基础；但是，化石能源的过度使用使CO2排放不断增加，也带来全球气候恶化的风险。
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。
当前，绿色碳科学主要涉及六方面的科学问题：分子活化形成反应中间体及其所决定的反应路径选择性；氢和水及水中氢利用策略；氧化还原新体系和新材料；有效转化涉及的跨尺度传递；二氧化碳、生物质化工及工程科学；工程热化学等。
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能源与工业材料行业的低碳科学技术研究进展综述
2.1
化石能源低碳化进展
采用绿色碳科学理念，通过提高石油、煤、天然气的过程能效与转化利用率，并加大天然气等低碳资源开发力度等技术，可以促进实现传统化石能源低碳化。我国科学家提出了分子筛催化剂“超笼利用率”概念，在对双分子催化裂化反应机理、催化剂稀土离子调控、变径流化床反应工艺技术等系统研究的基础上，近年来解决了许多重油加工、清洁汽油生产、低碳炼化、多产烯烃等技术难题[10–12]。而按绿色碳科学原理分析，石油炼制过程在碳高效利用、碳氢优化分布、低碳化等方面仍有较大的改进空间。在石油化工生产基本有机化工品技术方面[2]，利用副产资源或生物基原料是一条可行的低碳路径，如以生物质乙醇为原料的乙苯生产技术，可以有效降低乙苯产品的碳足迹[13]。
煤化工的低碳化利用日益得到倡导和重视[14]，其中煤气化得到的合成气(H2+CO)通过碳的成键合成燃料和化学品是重要的煤化工过程，其CO2排放主要来源于水煤气变换(WGS)。其低碳化技术主要分两类，一类是合成气制含氧化学品，即在温和条件下合成高含氧量的燃料和化学品(醇、醛、酸和酯等)可大幅度降低碳排放[15,16]；另一类是低碳费托合成烃类化学品，如采用钴替代铁催化剂以避免生成大量WGS活性中心而减少CO2排放[17]。
特别是,氧化物与分子筛催化剂组合(OX-ZEO)[18]或接力催化[19]可以突破ASF分布的限制，实现一步高选择性合成目标烃类产品[20]。
研究天然气直接转化的有效方法与过程已取得积极进展[21]。我国科学家制备了单中心低价铁原子镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格的催化剂[22]，实现了甲烷分子高温下经自由基偶联反应直接生成乙烯和其它高碳芳烃分子，产物的碳原子利用效率接近%。此外，天然气与CO2催化重整制合成气技术已完成中试并建立了工业示范装置[23,24]，低碳烷烃脱氢或选择氧化研究取得了新进展[25]。
2.2
可再生能源及氢能研究进展
我国可再生能源发电装机总规模已居世界第一，但可再生能源发电波动性大、规模化并网影响电网稳定运行，亟需储能技术的支撑。目前全球的钠硫电池、锂离子电池、铅炭电池储能等技术已进入准商业应用阶段，液流电池储能、熔岩储热仍处于工程示范阶段，而压缩空气储能、飞轮储能、超级电容储能尚处于工程样机演示试验阶段，超导储能和氢储能则处于可行性研究论证之中[26,27]。我国在电化学储能，尤其是锂离子电池、铅炭电池和全钒液流电池等方面的研发和应用处于国际先进水平。其中，全钒液流电池仍面临能量密度低、成本过高等挑战，在风电等大型储能领域尚处试验或示范阶段[28,29]。
氢能是未来衔接电力系统灵活性调节、能源生产消费低碳化、绿色交通等多个领域的“桥梁”，其关键是如何高效获得绿氢。电解水制氢已受广泛