碳是構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，還包括動物、植物、微生物等生物質資源。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，石油化工科學研究院原總工程師、中國科學院院士何鳴元等科學家提出綠色碳科學的理念。就該理念的背景、內涵、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放熱反應。由于二氧化碳分子的鍵能非常低，因此反應形成二氧化碳后能得到較多的能量。這種放熱反應是自然界存在的基本化學反應。因此，二氧化碳的產生是必然的，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數，把二氧化碳循環(huán)利用看作正數，在二者之間保持一個良性的平衡。
然而，這個良性的平衡很難維持。根據國際能源機構（IEA）2010年的全球能源替代前景展望，化石能源是當前及可預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常快，增速比以往任何時候都快。根據冒納羅亞觀測站的數據，2014年全球大氣中二氧化碳的濃度就超過了400毫克/千克，比預期提早了四五年。
因此，未來我們必須謀求大幅提高對生物質、廢棄物和二氧化碳的利用率。狹義的“煉油化工”，將來會被“燃料與化學品制造”這一概念所取代。
二氧化碳一方面依靠化學循環(huán)，另一方面通過生態(tài)循環(huán)，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W品
碳科學的概念，就是研究含碳物質能源利用時從碳資源加工、碳能源利用、碳固定到碳循環(huán)全過程所涉及的碳化學鍵演變規(guī)律，基于碳原子經濟性的優(yōu)化并實現增效減排。對于二氧化碳，一方面依靠化學循環(huán)，另一方面通過生態(tài)循環(huán)，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W品，以維持碳平衡，使溫室氣體維持在合理范圍內。
“作為一個能源化工公司，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品。”何院士介紹了碳科學理念涵蓋的能源化工發(fā)展所包含的幾個階段。
第一個階段是碳的高效低碳轉化。在把煤、天然氣、石油等不同資源加工成燃料化學品時要盡量低碳高效，減少排放。
第二個階段是生物質的高效低碳轉化。加工生物質的方法目前主要有熱化學加工法、水解法、生物技術方法等。
第三個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，或者把二氧化碳轉化成一氧化碳，制成合成氣，在此基礎上再轉化為其他產品。二氧化碳還可以進行其他反應，制成低碳烯烴、LPG等化學品。
第四個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”，使太陽能促進二氧化碳與水的反應，生成碳氫化合物和化學品，還包括光催化下水分解制氫等。何院士強調：“二氧化碳和水都是反應的最終產品，要使二者再參與反應，生產新的產品是很不容易的事情。”
包括太陽能在內的非碳能量，是推動碳循環(huán)的重要力量
我們利用碳資源作為能源，本質上是利用化學鍵斷裂并氧化后所釋放的能量。要想構成碳的良性平衡，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鍵再變回原來化學鍵的一些反應。
這就產生一個大問題：能量是守恒的，二氧化碳化學循環(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。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也不可取，必須有外加的非碳能源才能推動這個循環(huán)。何院士打比方：“就好比要撬動地球，就必須在地球之外尋找一個支點。”
所有燃料化學品反應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化為生物質的一部分，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，并實現二氧化碳和水的反應，生成化學品和氧。這一過程十分艱難，被譽為地球上最重要而最具挑戰(zhàn)的化學反應，是化學科學領域的圣杯。目前，在基礎和應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，生成甲醇，繼而生產其他化學品，對整個碳循環(huán)具有重要意義。水的分解是未來人類必須面對的課題。通過光催化作用從水中制氫，應是一條可行的道路。太陽能有可能是滿足人類需求的終極能源。
“包括太陽能在內的非碳能量，是推動碳循環(huán)的重要力量?！焙卧菏靠偨Y。對于中國石化來說，我們的職責是為社會提供化學品和燃料。在長遠的未來，除了考慮含碳資源外，還必須考慮太陽能、風能、水力、地熱、潮汐、核能等多種多樣的能源。未來僅僅依靠含碳資源，已經不能滿足人類的需要。中國石化已經充分意識到這個問題，并開展了一些合作項目和研究，比如對地熱的開發(fā)利用等。何院士建議，今后中國石化可以在太陽能轉化、核能余熱有效利用等領域進一步加強對外合作。（記者許帆婷） | 
