二氧化碳是人类必须善加利用的资源

何鸣元　中国科学院院士

在能源转型时代，纵观我国整个能源的布局，包括化石能源、非化石能源和可再生能源。尽管可再生能源是我们向往的，技术也日趋成熟，但在能源需求的总量中所占的比例会有一定的局限。

在可预见的未来,化石能源在能源结构中仍将占主导地位。

我国70%的石油依赖进口，这严重威胁我国能源安全。因此，根据我国“富煤、少油、贫气”的能源结构特点，用好现有化石资源，做到清洁利用不但十分重要，而且势在必行。

化石能源是指以石油、天然气、煤为代表的含碳能源。在化石资源加工转化成燃料和化学品、燃料利用过程中产生二氧化碳。然而，二氧化碳排放量的不断增加，将导致一系列生态和环境问题。因此，我们必须解决好碳循环严重失衡问题，实现碳资源的高效转化及循环利用。

2010年前后，我们提出了“绿色碳科学”的概念，即含碳物质能源利用时，从碳资源加工、碳能源利用、使用后碳固定，到碳循环全过程所涉及的碳化学键演变规律及其基于原子经济性的优化。

从化学基础来看，绿色碳科学核心是碳的氧化还原反应。当化石能源加工利用产生二氧化碳时，我们可以通过化学循环或者生态循环的方式，使之又变为燃料和化学品，尽量接近碳循环平衡。

把生成的二氧化碳循环成为可利用的能源，包含把变化以后的化学键再变回原来化学键的一些反应。根据能量守恒定律，化学键的演变实质上涉及的是能量问题，即二氧化碳化学循环生成燃料所需能量，在实施过程中要大于从能源燃烧生成二氧化碳得到的能量。我们仍然可以用含碳能源来补充所需的能量，但其后果必然是在循环利用二氧化碳的同时又增加了新的排放，这违背了绿色碳科学原则。因此，光靠碳循环体系本身是不行的，我们需要从外加的非碳能源获取能量才能良性完成这个循环。

能源化学学科发展前沿目前聚焦于二氧化碳、水和氢这些小分子问题。来自含碳能源的燃料使用后产生的终极分子是水和二氧化碳，再生需要解决能量的问题。利用太阳能分解水制氢进而还原二氧化碳、通过人工光合作用实现二氧化碳和水的反应制取燃料和化学品，是当前的研究热点和技术发展的重点。

在这一系列过程中，太阳能是满足人类需求的终极能源。除太阳能之外，风能、水力能、地热能、核能等非碳能源也可以考虑在内。

我们距离用太阳能推动二氧化碳转化还有多远？太阳能发电已经开始工业应用，太阳能热的利用除民用外距工业应用也并不远，但光催化方法和光电化学方法将太阳能转化为化学能则还有一定的距离。

特别需要关注的是，包括化工和发电等工业在内二氧化碳的集中排放，其总量占人类二氧化碳排放总量的40%以上。我们认为且需要强调，集中排放的二氧化碳必须以工业的方式来解决。绿色碳科学的理念的普及和发展必然要推动“二氧化碳化工”众多过程和新兴产业的产生。目前，欧洲规划了12项二氧化碳转化过程的工业实验。我国不少科研院所和企业已成功开发了多项“二氧化碳化工”过程项目，并实现了工业化，可以说是引领了世界二氧化碳资源化利用的正确方向。（本报见习记者韩扬眉采访整理）