2014-11-24 来源：中国石化报
石化新闻碳是构成许多生物体的基本元素。广义的碳资源不仅包括煤炭、石油、天然气等化石资源，还包括动物、植物、微生物等生物质资源。一方面，碳资源与人类文明的发展密不可分；另一方面，碳排放和碳循环的失衡又造成不良后果。
为了更好地利用碳资源，石油化工科学研究院原总工程师、中国科学院院士何鸣元等科学家提出绿色碳科学的理念。就该理念的背景、内涵、未来发展方向等问题，何鸣元院士作出表述。
维持碳中性平衡，在碳排放和碳能量有效利用中保持良性平衡
碳资源利用是人类发展绕不开的话题。美国科普作家埃里克·罗斯顿（Eric Roston）在其专著《碳时代》（The Carbon Age）中提出，没有碳就没有今日的文明；然而由于人类自身的问题，碳也威胁着人类的生存。
含碳的化石能源的利用，主要依靠碳氧化为二氧化碳的化学放热反应。由于二氧化碳分子的键能非常低，因此反应形成二氧化碳后能得到较多的能量。这种放热反应是自然界存在的基本化学反应。因此，二氧化碳的产生是必然的，也是植物生长所必需的。
要维持碳的中性平衡。所谓中性，就是把碳排放看成负数，把二氧化碳循环利用看作正数，在二者之间保持一个良性的平衡。
然而，这个良性的平衡很难维持。根据国际能源机构（IEA）2010年的全球能源替代前景展望，化石能源是当前及可预见的未来全球能源消耗的主要来源。而过度使用化石能源所排放的大量温室气体严重影响生态环境。近年来，大气层中二氧化碳浓度增长非常快，增速比以往任何时候都快。根据冒纳罗亚观测站的数据，2014年全球大气中二氧化碳的浓度就超过了400毫克/千克，比预期提早了四五年。
因此，未来我们必须谋求大幅提高对生物质、废弃物和二氧化碳的利用率。狭义的“炼油化工”，将来会被“燃料与化学品制造”这一概念所取代。
二氧化碳一方面依靠化学循环，另一方面通过生态循环，使之又变为燃料和化学品
碳科学的概念，就是研究含碳物质能源利用时从碳资源加工、碳能源利用、碳固定到碳循环全过程所涉及的碳化学键演变规律，基于碳原子经济性的优化并实现增效减排。对于二氧化碳，一方面依靠化学循环，另一方面通过生态循环，使之又变为燃料和化学品，以维持碳平衡，使温室气体维持在合理范围内。
“作为一个能源化工公司，中国石化处在碳资源循环的核心，我们需要研究如何低碳地把处于更替中的资源加工成能源和化学品。”何院士介绍了碳科学理念涵盖的能源化工发展所包含的几个阶段。
第一个阶段是碳的高效低碳转化。在把煤、天然气、石油等不同资源加工成燃料化学品时要尽量低碳高效，减少排放。
第二个阶段是生物质的高效低碳转化。加工生物质的方法目前主要有热化学加工法、水解法、生物技术方法等。
第三个阶段是二氧化碳循环利用。可以通过加氢把二氧化碳加工成甲醇，或者把二氧化碳转化成一氧化碳，制成合成气，在此基础上再转化为其他产品。二氧化碳还可以进行其他反应，制成低碳烯烃、LPG等化学品。
第四个阶段是二氧化碳的生态和拟生态循环。自然界的光合作用还不足以满足二氧化碳循环的需要，所以要发展“人工光合作用”，使太阳能促进二氧化碳与水的反应，生成碳氢化合物和化学品，还包括光催化下水分解制氢等。何院士强调：“二氧化碳和水都是反应的最终产品，要使二者再参与反应，生产新的产品是很不容易的事情。”
包括太阳能在内的非碳能量，是推动碳循环的重要力量
我们利用碳资源作为能源，本质上是利用化学键断裂并氧化后所释放的能量。要想构成碳的良性平衡，把生成的二氧化碳循环成为可利用的能源，就可能包含把变化以后的化学键再变回原来化学键的一些反应。
这就产生一个大问题：能量是守恒的，二氧化碳化学循环生成燃料所需能量跟能源燃烧形成二氧化碳得到的能量大致相当。因此，光靠碳的循环体系本身是不行的，以额外的碳资源来推动也不可取，必须有外加的非碳能源才能推动这个循环。何院士打比方：“就好比要撬动地球，就必须在地球之外寻找一个支点。”
所有燃料化学品反应的终极分子是水和二氧化碳，化石能源要可再生就需要额外的能量。目前我们研究的生物质燃料，就是利用海藻等燃料作物的光合作用固碳，通过生物过程将二氧化碳转化为生物质的一部分，再被加工成燃料使用。道法自然，人工光合作用试图利用光催化剂，将水分解成氢和氧，并实现二氧化碳和水的反应，生成化学品和氧。这一过程十分艰难，被誉为地球上最重要而最具挑战的化学反应，是化学科学领域的圣杯。目前，在基础和应用研究方面尚未取得突破。
光催化的理想过程之一是水分解为氢和氧。氢本身就是一种能源，可以用来燃烧，也可以与二氧化碳反应，生成甲醇，继而生产其他化学品，对整个碳循环具有重要意义。水的分解是未来人类必须面对的课题。通过光催化作用从水中制氢，应是一条可行的道路。太阳能有可能是满足人类需求的终极能源。
“包括太阳能在内的非碳能量，是推动碳循环的重要力量。”何院士总结。对于中国石化来说，我们的职责是为社会提供化学品和燃料。在长远的未来，除了考虑含碳资源外，还必须考虑太阳能、风能、水力、地热、潮汐、核能等多种多样的能源。未来仅仅依靠含碳资源，已经不能满足人类的需要。中国石化已经充分意识到这个问题，并开展了一些合作项目和研究，比如对地热的开发利用等。何院士建议，今后中国石化可以在太阳能转化、核能余热有效利用等领域进一步加强对外合作。（记者许帆婷）
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