碳是構(gòu)成許多生物體的基本元素。廣義的碳資源不僅包括煤炭、石油、天然氣等化石資源，還包括動(dòng)物、植物、微生物等生物質(zhì)資源。一方面，碳資源與人類文明的發(fā)展密不可分；另一方面，碳排放和碳循環(huán)的失衡又造成不良后果。
為了更好地利用碳資源，石油化工科學(xué)研究院原總工程師、中國科學(xué)院院士何鳴元等科學(xué)家提出綠色碳科學(xué)的理念。就該理念的背景、內(nèi)涵、未來發(fā)展方向等問題，何鳴元院士作出表述。
維持碳中性平衡，在碳排放和碳能量有效利用中保持良性平衡
碳資源利用是人類發(fā)展繞不開的話題。美國科普作家埃里克·羅斯頓（Eric Roston）在其專著《碳時(shí)代》（The Carbon Age）中提出，沒有碳就沒有今日的文明；然而由于人類自身的問題，碳也威脅著人類的生存。
含碳的化石能源的利用，主要依靠碳氧化為二氧化碳的化學(xué)放熱反應(yīng)。由于二氧化碳分子的鍵能非常低，因此反應(yīng)形成二氧化碳后能得到較多的能量。這種放熱反應(yīng)是自然界存在的基本化學(xué)反應(yīng)。因此，二氧化碳的產(chǎn)生是必然的，也是植物生長所必需的。
要維持碳的中性平衡。所謂中性，就是把碳排放看成負(fù)數(shù)，把二氧化碳循環(huán)利用看作正數(shù)，在二者之間保持一個(gè)良性的平衡。
然而，這個(gè)良性的平衡很難維持。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2010年的全球能源替代前景展望，化石能源是當(dāng)前及可預(yù)見的未來全球能源消耗的主要來源。而過度使用化石能源所排放的大量溫室氣體嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。近年來，大氣層中二氧化碳濃度增長非?？?，增速比以往任何時(shí)候都快。根據(jù)冒納羅亞觀測站的數(shù)據(jù)，2014年全球大氣中二氧化碳的濃度就超過了400毫克/千克，比預(yù)期提早了四五年。
因此，未來我們必須謀求大幅提高對(duì)生物質(zhì)、廢棄物和二氧化碳的利用率。狹義的“煉油化工”，將來會(huì)被“燃料與化學(xué)品制造”這一概念所取代。
二氧化碳一方面依靠化學(xué)循環(huán)，另一方面通過生態(tài)循環(huán)，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W(xué)品
碳科學(xué)的概念，就是研究含碳物質(zhì)能源利用時(shí)從碳資源加工、碳能源利用、碳固定到碳循環(huán)全過程所涉及的碳化學(xué)鍵演變規(guī)律，基于碳原子經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)增效減排。對(duì)于二氧化碳，一方面依靠化學(xué)循環(huán)，另一方面通過生態(tài)循環(huán)，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W(xué)品，以維持碳平衡，使溫室氣體維持在合理范圍內(nèi)。
“作為一個(gè)能源化工公司，中國石化處在碳資源循環(huán)的核心，我們需要研究如何低碳地把處于更替中的資源加工成能源和化學(xué)品?！焙卧菏拷榻B了碳科學(xué)理念涵蓋的能源化工發(fā)展所包含的幾個(gè)階段。
第一個(gè)階段是碳的高效低碳轉(zhuǎn)化。在把煤、天然氣、石油等不同資源加工成燃料化學(xué)品時(shí)要盡量低碳高效，減少排放。
第二個(gè)階段是生物質(zhì)的高效低碳轉(zhuǎn)化。加工生物質(zhì)的方法目前主要有熱化學(xué)加工法、水解法、生物技術(shù)方法等。
第三個(gè)階段是二氧化碳循環(huán)利用?？梢酝ㄟ^加氫把二氧化碳加工成甲醇，或者把二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳，制成合成氣，在此基礎(chǔ)上再轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品。二氧化碳還可以進(jìn)行其他反應(yīng)，制成低碳烯烴、LPG等化學(xué)品。
第四個(gè)階段是二氧化碳的生態(tài)和擬生態(tài)循環(huán)。自然界的光合作用還不足以滿足二氧化碳循環(huán)的需要，所以要發(fā)展“人工光合作用”，使太陽能促進(jìn)二氧化碳與水的反應(yīng)，生成碳?xì)浠衔锖突瘜W(xué)品，還包括光催化下水分解制氫等。何院士強(qiáng)調(diào)：“二氧化碳和水都是反應(yīng)的最終產(chǎn)品，要使二者再參與反應(yīng)，生產(chǎn)新的產(chǎn)品是很不容易的事情。”
包括太陽能在內(nèi)的非碳能量，是推動(dòng)碳循環(huán)的重要力量
我們利用碳資源作為能源，本質(zhì)上是利用化學(xué)鍵斷裂并氧化后所釋放的能量。要想構(gòu)成碳的良性平衡，把生成的二氧化碳循環(huán)成為可利用的能源，就可能包含把變化以后的化學(xué)鍵再變回原來化學(xué)鍵的一些反應(yīng)。
這就產(chǎn)生一個(gè)大問題：能量是守恒的，二氧化碳化學(xué)循環(huán)生成燃料所需能量跟能源燃燒形成二氧化碳得到的能量大致相當(dāng)。因此，光靠碳的循環(huán)體系本身是不行的，以額外的碳資源來推動(dòng)也不可取，必須有外加的非碳能源才能推動(dòng)這個(gè)循環(huán)。何院士打比方：“就好比要撬動(dòng)地球，就必須在地球之外尋找一個(gè)支點(diǎn)?！?/p>
所有燃料化學(xué)品反應(yīng)的終極分子是水和二氧化碳，化石能源要可再生就需要額外的能量。目前我們研究的生物質(zhì)燃料，就是利用海藻等燃料作物的光合作用固碳，通過生物過程將二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的一部分，再被加工成燃料使用。道法自然，人工光合作用試圖利用光催化劑，將水分解成氫和氧，并實(shí)現(xiàn)二氧化碳和水的反應(yīng)，生成化學(xué)品和氧。這一過程十分艱難，被譽(yù)為地球上最重要而最具挑戰(zhàn)的化學(xué)反應(yīng)，是化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的圣杯。目前，在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面尚未取得突破。
光催化的理想過程之一是水分解為氫和氧。氫本身就是一種能源，可以用來燃燒，也可以與二氧化碳反應(yīng)，生成甲醇，繼而生產(chǎn)其他化學(xué)品，對(duì)整個(gè)碳循環(huán)具有重要意義。水的分解是未來人類必須面對(duì)的課題。通過光催化作用從水中制氫，應(yīng)是一條可行的道路。太陽能有可能是滿足人類需求的終極能源。
“包括太陽能在內(nèi)的非碳能量，是推動(dòng)碳循環(huán)的重要力量。”何院士總結(jié)。對(duì)于中國石化來說，我們的職責(zé)是為社會(huì)提供化學(xué)品和燃料。在長遠(yuǎn)的未來，除了考慮含碳資源外，還必須考慮太陽能、風(fēng)能、水力、地?zé)?、潮汐、核能等多種多樣的能源。未來僅僅依靠含碳資源，已經(jīng)不能滿足人類的需要。中國石化已經(jīng)充分意識(shí)到這個(gè)問題，并開展了一些合作項(xiàng)目和研究，比如對(duì)地?zé)岬拈_發(fā)利用等。何院士建議，今后中國石化可以在太陽能轉(zhuǎn)化、核能余熱有效利用等領(lǐng)域進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)外合作。（記者許帆婷） | 
