綠色碳科學：雙碳目標下的科學基礎
——第292期“雙清論壇”學術綜述

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，低碳能源轉化技術中心，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年前實現碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局，經過深思熟慮做出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。雙碳目標需要能源革命、技術革命、產業變革，而關鍵環節是技術變革，其重要基礎是科學理論的突破。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”為主題，由自然科學基金委化學科學部、數理科學部、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、數字、二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)”四大變革為核心的科技前沿，凝練了變革性技術背后的關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研究行動計劃與資助方案提供參考。

1 “綠色碳科學”是實現雙碳目標的科學基礎

資源和環境是經濟可持續增長的決定性因素。在應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系到國計民生的大局，多元、低碳、循環和綠色清潔是能源開發利用的必然趨勢1,2。近年來，世界主要大國均不斷發布和調整其國家層面的能源發展規劃，大力支持基于可再生能源、智能能源系統、安全核電、燃氣及碳捕捉和封存技術(CCS)的多元能源架構建設。我國從十九大報告提出“建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系”到最近提出雙碳目標，從上到下正面臨一場經濟與社會變革，將促進我國向綠色低碳轉型升級。而其中，科學技術基礎將發揮先導和基石作用。

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。其定義是研究和優化碳資源加工、能源利用、碳固定、碳循環整個過程中碳化學鍵的演變和相關工業過程，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發展、化石能源、二氧化碳的三元關系相互連貫中心點，起到支撐與協調作用8,9，并在此基礎上提供科學合理的“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碳的中性平衡的科學基石。應該辯證看待有關碳的問題，其要素一是平衡，二是循環。碳不可或缺，沒有碳、溫室效應，就沒有生命和現代文明，化石能源是當今世界能源與經濟的基礎；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。

綠色碳科學的基礎是對立統一的氧化還原化學。這構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，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系統，以及它們之間發生化學鍵演變而反應生成眾多的分子。

綠色碳科學的發展可分為四個層次：第一個層次是碳資源的優化，就是碳的加工過程中以碳的原子經濟性衡量并優化其能源與化工利用；第二個層次強化生物質轉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合實現碳循環；第三個層次以碳的化學循環補償碳自然界循環，包括CO2的捕集和資源化利用；第四個層次是可再生資源轉化，如開發利用可再生能源實現CO2和水反應制備燃料與化學品的新反應途徑。

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

2 能源與工業材料行業的低碳科學技術研究進展綜述

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化利用率，并加大天然氣等低碳資源開發力度等技術，可以促進實現傳統化石能源低碳化。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機理、催化劑稀土離子調控、變徑流化床反應工藝技術等系統研究的基礎上，近年來解決了許多重油加工、清潔汽油生產、低碳煉化、多產烯烴等技術難題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。在石油化工生產基本有機化工品技術方面2，利用副產資源或生物基原料是一條可行的低碳路徑，如以生物質乙醇為原料的乙苯生產技術，可以有效降低乙苯產品的碳足跡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，實現一步高選擇性合成目標烴類產品20。

研究天然氣直接轉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，實現了甲烷分子高溫下經自由基偶聯反應直接生成乙烯和其它高碳芳烴分子，產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已完成中試并建立了工業示范裝置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

我國可再生能源發電裝機總規模已居世界第一，但可再生能源發電波動性大、規模化并網影響電網穩定運行，亟需儲能技術的支撐。目前全球的鈉硫電池、鋰離子電池、鉛炭電池儲能等技術已進入準商業應用階段，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和應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，在風電等大型儲能領域尚處試驗或示范階段28,29。

氫能是未來銜接電力系統靈活性調節、能源生產消費低碳化、綠色交通等多個領域的“橋梁”，其關鍵是如何高效獲得綠氫。電解水制氫已受廣泛關注，但高成本制約了其發展。目前主流的三類電解水制氫技術中30，堿性水電解(AEL)成本最低、經濟性好，已成功工業應用，但對可再生能源變化的適應性較低。質子交換膜純水電解(PEM)與可再生能源的功率變化適應性更匹配，產氫純度高、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，仍處于實驗室研發階段31。此外，電解水的陽極析氧反應經歷復雜的四電子反應過程，嚴重制約了產氫電能利用效率，因此，將析氫析氧過程與重要的工業合成反應耦合可顯著提升兩極反應的效率32,33。

在核能方面，我國已建成全球首座商用規模的、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、經濟，且可以實現模塊化、小型化34，后續有待與制氫、儲能、熱蒸汽、制合成氣、電化學等工業過程結合。

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PSI和系統PSII工作原理，開發了高效、穩定的可見光催化制氫制氧和二氧化碳還原體系35；發展了提高光化學反應選擇性、惰性鍵活化和人工光合成的新策略、新體系和新反應，創建“放氫交叉偶聯”反應36，在常溫常壓下實現了苯和氨氣一步合成苯胺、苯和水一步合成苯酚反應路線。在工業研究方面，我國企業歷經15年發展了微藻光合作用用于工廠的CO2/NOx減排和生產高蛋白生物質的新技術37，解決了藻種選育、光生物反應器、CO2/NOx捕集、規模化養殖/采收等關鍵技術難題。

2.3 二氧化碳及生物質轉化進展

以可再生能源制氫、再利用二氧化碳加氫合成甲醇的循環模式被科學界和企業界認為是應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陽光甲醇為核心的低碳化路徑40，包含了太陽能光伏發電、電解水制氫和二氧化碳加氫合成甲醇這三個重要環節，其中電解水制氫和二氧化碳加氫制甲醇兩項關鍵核心技術已取得創新突破41。此外，國內多家研究機構對CO2與環氧化物環加成反應合成碳酸乙烯酯(EC)、再經醇解合成乙二醇的轉化路線已達到國際領先水平，其中，離子液體催化CO2轉化制備碳酸二甲酯/乙二醇綠色工藝已在世界首套萬噸級工業裝置上實現應用42。

基于水、CO2、電催化的電化學系統是實現可再生能源與化石能源體系的共存與結合的關鍵技術。近年來，我國科學家在CO2電還原的研究成果備受關注，例如，研究工業級電流密度的堿性膜CO2電解器使電化學碳循環成為可能43–45，耦合陰極電催化還原CO2(CO2RR)和陽極氧化反應過程實現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。

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

2.4 材料與冶金工業低碳化進展

建材行業碳排放主要來源于水泥生產，而水泥生產的碳排放主要來源于熟料燒成階段，因此，降低水泥生產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途徑有提高能源效率技術、替代能源技術，降低石灰石用量的主要技術途徑有原材料替代技術、新型低碳水泥熟料技術62。上述四類技術部分已相對成熟，如高效冷卻技術、高效粉磨技術和余熱發電技術等；部分處于研發和示范階段，如大比例替代燃料技術、高貝利特硅酸鹽熟料生產應用技術、高貝利特硫(鐵)鋁酸熟料生產應用技術等；部分仍處于技術模型研發階段，如新能源(包括綠氫、光伏、微波、紅外等)煅燒水泥熟料技術。CCUS是建材行業實現碳中和的“兜底”技術手段，與熟料煅燒過程結合的全氧燃燒后捕集技術被認為是最經濟的碳捕集手段。

改革開放以來，我國在火電及電站裝備、鋼鐵制造業的整體水平逐漸居于世界前列63。我國鋼鐵生產工藝以“高爐+轉爐”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碳排放首位。除壓減產能外，發展綠色鋼鐵冶金技術勢在必行。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、低排放等優點。此外，近年來一些以高溫熔鹽為介質的短流程冶金技術，如惰性陽極技術、熔鹽電解冶金原位耦合固碳技術等正蓬勃發展65,66。

3 未來的機遇與挑戰

雙碳目標將倒逼我國能源結構變革和產業結構調整，該進程中挑戰與機遇并存。與會專家深入分析化石能源優化利用、可再生能源規模化發展和CO2高效轉化利用等領域涉及的能源科學基礎，研討我國雙碳演進的階段特征和科技需求，總結出實現雙碳目標的四大主要路徑。

化石能源優化利用是關鍵。即“低碳”路徑，通過提高石油、煤、天然氣的過程能效與轉化效率，并加大天然氣等低碳資源開發力度，構建智能煉化工廠，實現傳統能源低碳化。圍繞化石能源低碳化催化新技術，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，其核心思想是設計和利用反應的耦合、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研究67，推動實現工藝過程的節能降耗與高效低碳。

氫能高效獲取和替代碳資源是核心。可再生能源發電具有不穩定的先天缺點，將可再生能源發電與氫能源結合，就會產生良好的效果；以氫能的形式進行儲能，具備長時間、大規模、能有效運輸等特性，足以應對季節性變化帶來的儲能需求。此外，可再生能源發電技術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、水泥建材等工業過程結合，有望大幅降低傳統工業過程的碳排放。氫能在實現未來碳中和方面將發揮重要作用，這需要從發電、制氫到用氫的整個氫能源鏈協同。

可再生能源規模化利用是根本。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利用，開發高效太陽能與大型風電技術、儲能技術、生物質轉化利用技術等。其中，儲能技術是推動可再生能源從替代能源走向主體能源的關鍵，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和應用示范項目，使儲能技術的發展和應用成為未來能源轉型的支柱之一。另外，生物質資源轉化利用是減小碳循環失衡的重要途徑，需重視生物質分子的獨特結構，在盡可能少斷裂化學鍵的條件下制備高品質燃料和重要化學品。

CO2處理與負碳技術是未來。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化學轉化為尿素、無機碳酸鹽、CO、水楊酸、碳酸酯等化工產品，轉化規模遠不能滿足碳中和目標的要求。因此，需研究開發大規模的CO2資源化利用新技術，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與環氧化合物反應合成有機碳酸酯、CO2電催化合成化學品和燃料技術等。著眼長遠，還需關注光催化轉化技術、等離子技術等。這些過程的關鍵是開發新型催化材料，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重點：化石能源低碳化技術是碳達峰期突破的重點，可再生能源/資源利用與大規模CCUS技術將在減碳期和碳中和期實現突破。

4 關鍵科學問題的凝練

面向能源變革、工業變革、數字變革、CCUS技術等科技前沿，基于反應耦合、過程耦合、熱電光等，研究物質平衡、能量平衡以及耦合調控機制，揭示碳、氫、氧化學鍵演變規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。

一是工業過程低碳化問題。為了高效利用碳資源、優化碳氫分布，需要研究碳活性物種生成、傳輸等過程中反應中間體的演化規律與氫轉移反應規律，揭示碳氫氧三元體系在氧化還原反應過程中的化學鍵轉化、重組和演化規律，研究提高反應物催化轉化率與產物選擇性的調控方法等。

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

三是儲能問題。需要研究儲能技術基礎理論、新型儲能材料、系統建設等關鍵科學問題，研發低成本、大容量、長時間、跨季節調節的各種儲能技術，并研究解決智能電網儲能技術與系統層面的高效匹配，研究電化學儲能的安全、消防和環保回收等相關科學技術問題。

四是生物質資源化利用問題。針對纖維素、半纖維素和木質素等的氫鍵破壞、解聚、分離提純與定向合成等關鍵科學問題，需要利用工程熱化學研究生物質熱解機制、生物質氣化與分布式利用等，并研究高選擇性裁剪生物質平臺分子的碳碳鍵、碳氧鍵、羥基等催化材料與催化工藝，實現精準催化轉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化機制、化學工藝原理、CO2電催化轉化、與可再生能源耦合機制等。

六是信息大數據分析與工業人工智能控制問題。基于大數據分析、信息、區塊鏈、人工智能等技術，需要研究流程工業碳排放的實時檢測和動態監測、碳排放的智能預測和回溯、生產全流程智能低碳運行與協同優化。

5 圍繞雙碳目標的科學技術基礎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

石油煉制行業中催化裂化裝置的碳減排非常重要，發展高效生產低碳烯烴的靶向催化裂化工藝，結合純氧再生技術使再生過程的CO2富集處理，有望優化產品結構，大幅度降低焦炭產率，實現CO2近零排放。

在大宗石油化工化學品的生產中，基本有機原料的化學鍵演變與產物的提質純化過程是主要的能源消耗與碳排放源，亟需發展副產資源高效利用、生物來源原料的催化技術等綠色低碳石油化工技術，以提高產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能減碳發展方向，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、煤氣化主產一氧化碳技術等。

研究合成氣轉化低碳化新技術，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偶聯等C1化學新策略，提高C1分子轉化選擇性；探索合成氣經費托制烯烴(FTO)的低碳化新路線，突破反應平衡分布，抑制水煤氣副反應甲烷生成。

5.2 二氧化碳資源化利用的催化基礎

國際能源署預測，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方式等方面發揮巨大作用。

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，未來能源結構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。在發展CO2加氫制甲醇技術的基礎上，采用經含氧中間體的雙功能催化路線，進一步拓展“液態陽光”的核心技術路線，有望實現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酰化制高碳醇和耦合甲苯甲醇制二甲苯的技術也是重要方向。未來大規模的CCUS技術突破是實現碳中和的關鍵之一，需要研究開發節能減排新技術、負碳的CO2高效活化與定向轉化新技術、大規模的CO2的集中排放-捕集-分離-轉化-循環的工業新技術等。

5.3 綠氫工程及可再生能源利用的技術基礎

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

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思想，并指出CO2電解轉化與電解水制氫、氫能燃料電池技術有望成為電化學氫能技術發展的新引擎。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合成反應耦合，有望實現高效電解水產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、并網難的先天缺點，而大規模儲能技術是未來構建以新能源為主體的新型電力系統、實現雙碳目標的關鍵核心技術。盡管目前已經開發出全釩液流電池、鋅空氣電池、鋰(或鈉)電池、液態金屬電池等大規模儲能技術，但種類少、價格高、規模不夠大，不論科學和技術上都有待進一步研究發展。

針對未來太陽能的利用，太陽能電池板未來可能向芯片發展，開發先進的疊層光伏電池技術，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，構建人工光合成系統，開發高效、穩定、廉價的可見光催化制氫、制氧和二氧化碳還原體系，創建“放氫交叉偶聯”反應，有望實現光化學反應的重要應用。

5.4 生物質資源轉化利用的科學技術基礎

生物質產量很大，其高效轉化利用是一項長期的任務。生物質制備液體燃料，目前油價條件下只能小部分替代。現在的生物柴油技術相對比較成熟，但它的原料非常有限。生物質能源系統的用能方式需要變革，如采用分布式的方式。生物質作為碳氫氧資源，具有特定的結構，如何與大自然接力把生物質結構充分的利用，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”轉變為“用氧”以實現“碳-氧聯用”的生物質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、木質素出發，破壞氫鍵網絡，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、乙酰丙酸等大規模原料，可定向催化轉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。為減少航空業的碳排放，需按階段發展生物航油，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、高排放的工業過程，專家按行業分類提出技術發展規劃及重點發展的行業先進綠色零碳/低碳技術。從全生命周期的角度考慮實現碳中和目標，提出了熔鹽電解原位耦合固碳技術，與金屬二次資源發生熔鹽電解原位耦合反應固碳并釋放氧氣，實現高性能碳化物產品制備。

對于我國鋼鐵和火電產業，應走高質量、低碳化發展的道路，推動研究低碳冶金等變革性技術，有序發展電爐短流程工藝，推動廢鋼資源回收利用技術體系建設。

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

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

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

此外，通過大數據、人工智能、流程生產智能控制、區塊鏈等數字化手段將系統地改變能源的整個產業鏈和生態體系71。

5.6 化學鍵構建的催化基礎與理性設計

CO2的資源化利用、綠氫生產和生物質轉化利用都極大地依賴于開發更有效的多相催化過程以及發展更高性能的多相催化劑。這要求我們能夠超越傳統的“試錯”范式，結合表面表征技術和理論模擬，從分子尺度到材料尺度理解催化，實現多相催化劑的理性設計。未來應研究發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。在此基礎上，還應該注重原位下的理論分析，合理化大量微觀基元反應和宏觀催化性能的關聯，以揭示催化劑的構效關系。

多相催化的復雜性一直是人們面對的巨大挑戰，因此催化化學中的基本科學問題的探索必須依賴于從復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展帶來新的視角和啟示。

鑒于多相催化過程中反應耦合與過程耦合的復雜性，并借鑒大自然生物或人體系統的等級結構，未來需要發展“等級催化”78，即構建組裝多功能的活性位、孔結構，以提高系統的傳熱、擴散與催化反應效率。

6 思考與建議

對于基金委制定“面向‘雙碳’目標的基礎研究行動計劃“，有如下建議：

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

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

(3)構建產學研聯動的內外部資源協同創新體系。建議成立碳中和戰略研究中心，聯合技術分析、產業分析、成本分析、大數據分析與市場分析，承擔戰略研究任務。建議促進示范基地和低碳發展的工業園區的建立，銜接石化、化工、建材、冶金、核能、電力等行業，把過去各自分散的工廠集中，形成融合的技術鏈、產業鏈、區塊鏈，并實現智能化的系統聯控。

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”作出貢獻的40余位專家學者，以及相關的部門領導！感謝論壇執行主席、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協辦！