在近日举行的“2022年墨子沙龙”首场活动中，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿介绍了全球气候变化如何影响人类的生存发展，温室气体排放与气候变化间的关系，在实现“双碳”目标背景下，绿色氢能和液态阳光将如何发挥减排作用等。以下为报告部分内容整理。 

李灿 

　　气候变化影响人类生存发展 

　　近年来，人类过度使用化学资源造成的全球气候变化包括大气污染、冰川融化、雾霾、荒漠化、极端天气频发等。气候的变化导致生态失衡，引起了冰川融化加速，北极、南极冰川融化加速后使得海平面上升。海啸、洪水、干旱、蝗虫等现象在过去比较少见，现在越来越多了，生物灭绝的速度也在加快。 

　　2021年，我国多地突发了历史性罕见气候灾难。如山东、湖北、湖南、四川、河南、山西等地暴雨成灾；甘肃白银市景泰县的极端天气，对当地正在举行的山地马拉松越野赛造成恶劣影响，导致21名参赛选手遇难，这都是极端天气造成的。 

　　不仅仅是在中国，世界各地都出现了极端天气，如欧洲暴雨洪灾、美国德州大雪、北美热浪、澳大利亚森林火灾等。这些现象属于非常罕见的气候灾难，都是因为气候变化所导致的。 

　　如果全球变暖以目前速度发展，全球气温在2030年很难控制在1.5度以内，造成的灾难是不可想象的。同时生物物种的灭绝速度也在加快，在其他物种都在灭亡的情况下，人类的生存时间恐怕也屈指可数。 

　　为何在短时间内会出现如此可怕的变化？观察地球大气中的二氧化碳浓度变化就能看出一些端倪。大概在公元前5亿年左右，地球二氧化碳浓度慢慢变成平稳态，氧气浓度也是如此。但是到了200多年前英国工业革命时期，二氧化碳的浓度开始迅速上升，破坏了原本二氧化碳和氧的浓度平衡，直接危及人类的生存发展。 

　　人们认识到二氧化碳对大气影响的过程，实际上是一个很慢的过程。直到1980年后通过越来越多的观测数据才发现，空气中的二氧化碳浓度上升与气候变化的一些现象能够互相关联。1992年联合国气候变化框架公约组织才明确指出，二氧化碳、甲烷具有温室效应。1997年《京都协议书》又进一步明确，除二氧化碳、甲烷外，氧化亚氮等三种含氟气体都对温室效应有贡献。 

　　近年来，二氧化碳与地表温度的关系已经越来越被确认。但即使像科幻电影《流浪地球》中一样，将地球带到宇宙其他的地方，被破坏了的大气层也是甩不开的。因此，维持地球生态平衡最好的做法就是不要剧烈地改变它。中国先秦思想家老子在2500年前已经洞悉到这一自然规律，即“道法自然，无为而治”。“无为而治”的解读就是不要去改变，自然是什么样就是什么样。但是人类社会进入工业革命时代后，物质文明发展得非常快。比如每个人都要开车，不可能又回到过去那个年代，这就不可避免地破坏了大气层。 

　　现在人们要想办法补救，如何降低大气层的二氧化碳浓度。生物进化与大气氧浓度是密切相关的，控制和减排温室气体恢复地球生态环境，就是为了人类自己。人类如果不拯救地球家园，也可能会步恐龙灭亡的后尘。 

　　推动“双碳”拯救地球家园 

　　推动碳达峰与碳中和，实际上就是为了拯救人类家园所采取的行动。近年来经常召开全球性的气候变化大会。最成功的一次大会是2015年的巴黎气候大会，全球共有178个缔约方签署通过《巴黎气候变化协定》。当时提出的目标是，全球平均气温升高的幅度在本世纪末即2100年要控制在2度之内，最好在2050年控制在1.5度之内。其实这是一个非常低的要求，但目前看来要实现很困难。 

　　我国非常积极地签署了这一协议，这是中国作为负责任的大国向全世界做出的非常有表率意义的事情。2020年9月22日，国家主席习近平同志在联合国一般性辩论大会上庄重地承诺，2030年之前要争取实现碳达峰，2060年努力做到碳中和。而且还提出一些具体的技术指标，如到2030年非化石能源在一次能源里的消费比要上升到25%左右。 

　　当时提出这一指标后，国内外都非常关注中国的承诺能否兑现。这个任务非常艰巨与紧迫，需要与之相关的切实技术路径。科学家要负起这个责任，要提出比较好的、切实可行的技术路径来解决应对。 

　　我国排放二氧化碳的主要源头之一是煤炭发电，占整体二氧化碳排放量的45%。交通领域的排放约占10%，此外还有煤化工、冶金、水泥、石油化工等行业的排放。目前全世界二氧化碳的排放总量为400亿吨，我国占比超过四分之一，人均也是全世界第一，减排压力很大。而且，我国经济发展是粗犷的，质量较低。 

　　碳达峰与碳中和是在解决经济平稳发展的同时，完成高质量发展的要求，因此我国需要对工业进行脱胎换骨的改造。碳达峰与碳中和对中国意义非常重大，中国作为负责任的大国不仅仅是简单的减排二氧化碳，更是为了人类未来，符合“人类命运共同体”理念。同时这关系到我国的高质量发展，是第三次工业革命后我国与发达国家竞争发展的新机遇、新起点。 

　　如何解决碳排放的问题？首先例举目前一些比较有共识的路径：第一，发展光伏、风电等清洁能源逐步替代火电；第二，发展氢燃料电池或电动车；第三，在刚性排放二氧化碳的行业如水泥、电石行业等，采用CCS 碳捕获封存技术。 

　　绿氢与液态阳光：在源头解决碳排放 

　　此外，还有一些更好的技术能让绿氢在源头上替代灰氢。什么是灰氢？煤、天然气化合物可以制氢，而这个过程一定会排放二氧化碳。蓝氢则是可以将制氢的氢加以使用，捕获排放的二氧化碳将其封存。最理想的绿氢则是通过水分解制氢，这一过程不排放二氧化碳，而且可以通过光电催化、电解水制氢。 

　　绿氢在源头上就可以解决二氧化碳排放的一些问题。比如在炼钢、冶金行业中，氢和铁矿石反应后生成水，而不是排放二氧化碳，这个非常理想的过程被称为“氢冶金”，目前在国际上非常受关注，我国也正在着手发展。 

　　大约在十几年前，著名科学家、诺贝尔奖获得者乔治·安德鲁·欧拉提出，不能将二氧化碳简单看成温室气体所产生的废物，而是要当成有用的碳资源。绿氢与二氧化碳反应可以生成各种各样的化学品和燃料。这一过程被称为CCU（Carbon Capture, Utilization）即碳捕获资源化利用。当时他就提出这个概念，希望以此来制造甲醇，当然也可以制造其他的化学品。如果制造甲醇可以形成大规模的“甲醇经济”，将为人类社会带来巨大的影响。二氧化碳的资源化循环利用是其中的重点，人类社会可以进行生态循环即二氧化碳变成燃料和化学品，在燃烧的过程又释放出二氧化碳和水，二氧化碳再和绿氢结合，重复循环。 

　　“液态阳光1”即“清洁甲醇”和“绿色甲醇”，是指生产过程中碳排放极低或为零时所制得的甲醇。利用太阳能将水和二氧化碳变成燃料，然后变成可以储存、运输的液体燃料供应市场使用。燃烧后放出的水和二氧化碳又可以循环利用，如此这样一直使用太阳能，将二氧化碳和水视为能量载体。液态阳光概念提出来后，引起业内非常大的关注。 

　　多年来，我们团队一直研究如何生产绿氢，研发出国际上性能最好的规模化电解水制氢技术，同时发展了高活性固溶体催化剂，可以将二氧化碳和氢反应生成甲醇，在此基础上就可以解决刚性排放的二氧化碳。 

　　绿氢是非常重要的。液态阳光实现甲醇合成后下游市场会更广，还可以做燃料电池、化学品等。甲醇还可以作为原料和绿色制造的原料，生产合成蛋白质、合成淀粉、合成药物。中国科学院天津工业生物技术所研发的二氧化碳合成淀粉技术，前期工作就是我们做的。 

　　不难看出，在绿色氢能中液态阳光甲醇可以承担非常重要的角色。比如在交通领域使用氢燃料，可以实现减排二氧化碳约10亿吨级。协调经济发展与“双碳”目标，将是第三次工业革命和我国高质量发展重要的技术路径。 

　　面临重重技术与挑战 

　　那么，其中会有哪些科学和技术的挑战？首先，绿氢的生产非常具有挑战性。制氢的主要途径包括：第一通过光催化分解水制氢；第二光电催化分解水，光催化和电催化耦合；第三是热化学，通过太阳能集热把材料加到很高的温度，再进行材料的热循环化学，也能够生产氢气。这三个过程仍处在基础研究的阶段，产氢量和效率比较低，还不足以通过大规模工业化来解决 “双碳”任务。目前比较有希望的途径是电解水制氢，通过太阳能光伏发电或者风能发电用电解水制氢技术可以实现工业规模化，液态阳光要做到千万吨级就需要这样的技术。 

　　事实上，太阳能光催化分解水的研发非常艰苦也非常具有挑战。20世纪70年代初，日本科学家首先开展这一工作，但进展非常慢。二十一世纪初中科院大连化物所启动光催化分解水研究，2009年中国科学院又启动了“太阳能行动计划”，在当时全球范围内算启动较早。现在这一研究领域很热门，但是挑战依然很大。 

　　自然光合作用的能效非常低，仅有0.3%左右。2010年日本科学家的研发结果超过1%，而用我们的“氢农场”策略已经做到1.8%。但是1.8%距离工业化大规模应用还有很长的距离，至少要达到10%左右。 

　　我们做的液态阳光项目更多的是依循“道法自然”，从自然中学习。液态阳光合成技术，虽然看上去与自然光作用好像没有什么关系，但原理分为两部分。一部分是太阳能光伏发电，电解水制氢，这个过程模拟自然光合作用收集太阳能进行水的分解；另一部分是收集企业排放的二氧化碳，在液态阳光合成厂通过太阳能产生的绿氢反应生成甲醇的过程。这是一个集成太阳能发电电解液制氢和二氧化碳捕获及加氢制甲醇多项技术的项目。目前我们已经在兰州建成了全球首套千吨级液态阳光合成的规模化示范工程，于2020年试车成功并完成成果鉴定，目前正在开展十万吨级的液态阳光工业化。 

　　过去农耕社会处于非常好的生态平衡中，而如今使用煤、石油、天然气放出这么多的二氧化碳，都是人类活动所造成的。“解铃还须系铃人”，我们得发展先进的技术，利用太阳能将水和二氧化碳再变回成生物质。光催化、电催化、液态阳光等类似的技术才能解决这个问题。 

　　未来人类就不需要依靠石油能源，通过液态阳光把水和二氧化碳换成液体的燃料以解决能源问题，这是一个重大的能源革命过程。要把煤、石油、天然气等主要化石能源变成材料资源储存起来，将来可以留给子孙后代。那我们使用的能源从哪里来？从可再生能源中来，一方面发电，另一方面可再生能源如太阳能可以制氢、制甲醇，使用液体燃料适应市场的需求。当然在这一过程中还是会排放一些二氧化碳，再用绿氢将二氧化碳合成为各种材料、合成甲醇，推动人类可持续发展。颠覆性的能源革命要从传统化石能源逐渐转到可再生能源，这是全世界发展的方向。 

　　未来社会的理想情景是，白天用太阳能发电或者其他形式的能源供给生活，多余的能量以绿氢或者液态阳光的形式储存起来。到了晚上月亮出现的时候，再释放绿氢或者液态阳光，实现绿色低碳社会。这是未来的一种场景，当然你还可以想象出很多其他的绿色低碳场景，这就是人类追求的青山绿水、蓝天白云，让我们共同努力实现这样美好的生态社会。