格拉斯哥，2021年11月14日——在经历了为期13天的谈判后，《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会（COP26）终于落下帷幕。会议最后时刻，近200个缔约方最终达成了《格拉斯哥气候协议》，明确将进一步减少温室气体排放，以将平均气温上升控制在1.5摄氏度以内，从而避免气候变化带来的灾难性后果。这份一揽子方案同时通过了碳市场和透明度等技术细节，由此长达6年悬而未决的《巴黎协定》规则手册得以最终通过。

然而，我们现在的技术真的能实现这个目标么？尤其对于化学领域来说，我们该如何做才能助力COP26目标的达成？近日，来自英国谢菲尔德大学的Anthony J. Ryan博士和Rachael H. Rothman教授针对这一目标的实现在Nature Reviews Chemistry上发表了一篇评述文章，对化学领域在未来几十年的发展方向提出了自己的思考。

在人类20万年的历史中，人类与其他生物几乎没有什么不同。我们所有的资源都直接由太阳提供。阳光中的能量被光合作用捕获，并直接转化为食物、燃料和材料。然而，在350年前，一切都改变了。我们开始用煤和石油来补充我们的能源需求，同时为了满足人口激增的问题，我们正不断燃烧更多的石油、天然气和煤炭。这些做法对我们的星球及其生态系统造成了极大的破坏。因此，我们需要回到更直接的太阳能经济，以减轻我们在取得今天的成就过程中所造成的损害。

数百万年前，植物通过光合作用将固定下来的二氧化碳以化石燃料的形式储存起来，而我们目前却将其转化为各种用途的化学物质(药物、家具上光剂、食品添加剂……)，并在这些产品降解时将二氧化碳释放出来。因此，化学家们需要关注的是如何摆脱使用这些永久的化学物质，然后直接从空气中获取的二氧化碳中制造所有我们无法收集和回收的东西。

将二氧化碳转化为化学原料的最好方法是光合作用。地球每年通过光合作用产生3000亿吨的干生物质。其中大约250亿吨由农业生产用于粮食生产，但实际作为粮食收获的不到50亿吨;其余的都是农业废弃物:秸秆、谷壳和树叶。其中一些被用在农场上，但大多数要么腐烂在地里，要么作为冬天的遮盖物，有时直接烧掉。所有这些选择都会导致二氧化碳排放。

如果我们只收集全球20%的农业废弃物，就能提供40亿吨生物质碳水化合物:超过整个石化工业的原料需求。所要做的就是将生物质原料转化为C1-C4和C6原料(碳效率为33%);然后我们就可以用费托法和催化裂化法来生产我们需要的所有化学产品。整个化工行业都可以做到碳中和。释放到环境中的每一种有机化学物质都可能是由今年的二氧化碳产生的，当它最终降解为二氧化碳时，它不会向大气环境中添加任何东西，因为它来自于大气环境中。

那么我们需要做什么呢?显然，这需要大量的生物化学和发酵技术;纤维素和木质素不是最容易发酵的东西。一旦我们通过发酵生产出甲醇，乙醇，丙醇和丁醇，就会有很多途径得到我们需要的化学物质。在大型化工厂中，乙烯、丙烯和丁烯脱水后直接进入常规化学过程，从而产生了分子多样性。但我们也需要开发新的合成方法，直接从醇中合成大型复杂的化合物，并利用分子模型的力量来帮助我们设计这些过程和分子，而不是通过传统的碰运气的途径。生命周期评估(LCA)可以告诉我们，何时通过何种方法利用能源将生物质转化为石化原料，而不是使用传统的化石原料是有意义的。我们必须避免的是，通过生物质转化产生的二氧化碳比我们继续使用化石原料产生的二氧化碳更多。因此，LCA和全系统分析必须是研究的关键部分，而知道如何进行LCA必须成为化学家教育的固有部分。

只有当我们有了可再生的电力和可再生的热量，我们才有可能完全将其转移到今天的碳源(光合作用固定的二氧化碳)，而不是数百万年前储存的碳。地质在数百万年的时间里完成了转化和浓缩碳的工作，促进了我们工业的发展。现在，我们需要可再生电力和氢气来实时实现这一浓缩。

COP26及其承诺依赖于许多“It will be fine”的技术，这些技术要么还没有被发明出来，要么还没有大规模使用。对于那些不了解气体特性的人来说，生物能源碳捕获和储存(BECCS)完全是一个白日梦。空气中的碳捕获、利用和储存(CCUS)也是一个类似的童话故事。空气中的二氧化碳太稀以至于无法捕获，而生产10当量的二氧化碳来制造一种只能捕获0.1当量二氧化碳的材料，这怎么可能是一个好主意呢?在生产化学原料方面，从空气中直接化学捕获二氧化碳比光合作用更有效的LCA在哪里?我们真正需要的是一种将二氧化碳转化为固体的方法，这种固体可以很容易地储存在地下，远离太阳——以及一个存放这些物质的安全的地方，在那里它们不会降解。

这又把我们带回了那些讨厌的塑料。每年塑料产量超过3亿吨，按照目前的转化效率，如果我们全部利用今年的二氧化碳，通过光合作用固定，那么我们将从大气中捕获超过10亿吨的二氧化碳。不可降解的塑料有很长的碳-碳链或芳香基团，使得找到一种酶来分解它们非常困难。因此，塑料可能成为新的化石。我们可以每年永远封存10亿吨二氧化碳，将它们以一种有计划的方式储存在地下，这样我们就能知道它们的位置和用途。一次性塑料将成为下一代、新化石的高度精炼碳的来源，以及一种今天完全可行的碳封存技术。

目前80%的塑料可以归为以下四种类型:聚烯烃、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯乙二甲酸酯。这其中，40%的塑料用于包装，并且只使用几天。20%用于建筑，因此使用时间更长(高达25年)。另外10%用于汽车工业，6%用于寿命较短的电子应用。这里涉及到的塑料相对容易收集。因此，我们需要做的是减少使用不同塑料的数量，使它们更容易分离。我们需要鼓励收集用于掩埋的废塑料，并确保基础设施到位，以便在生命结束时完成这项工作。目前虽然可以从生物来源获得耐用塑料，比如人们已经大规模地从甘蔗糖和林业废料中制造出聚乙烯，但它们的温室气体排放量高于传统的气体产生的聚乙烯。当然，我们应该在生产过程中排放二氧化碳的同时，多次使用塑料。一旦能源系统去石油化，我们开始用生物碳来生产塑料，塑料就变成负碳排放的，单一使用模式是有意义的。

那么化学家们应该在这里做些什么呢?首先，我们可以拥有一种专门的专有材料，可以用于复杂商品的零部件，避免不必要的多样性，因为许多不同的“工程塑料”可以做同样的工作。对于那些需要特殊聚合物的领域，我们需要做两件事。对于大型项目，如风力涡轮机叶片、飞机机身和汽车需要使用工程塑料和由生物原料制成的热固性塑料来制造。在它们生命的尽头，这些物品可以作为碳封存被掩埋。如果用于制造复合材料的纤维也是生物来源的，那么这也为寿命结束后的碳封存提供了一个很好的机会，我们甚至可以开始考虑用复合材料取代轻合金。另一方面，高价值和功能性的聚合物——比如粘合剂或润滑剂中的聚合物——生产和使用的数量如此之少，以至于收集它们是不可能的，或者没有什么意义。因此，它们应该像其他释放到环境中的特殊化学品一样被处理，而且应该是可生物降解的。

对于发酵工艺来说，农业废物的发酵使酒精浓度在5%左右。因此，发酵工艺需要在当地的农业废物生产地周围（例如10公里之内），并服务于多个农场。由于蒸馏是一个能源密集型的过程，需要大规模地进行，但长距离运输稀释溶液(95%是水)并没有什么吸引力，所以100公里的规模似乎是正确的，同时确保可再生能源是提取发酵混合物的热量来源。到那时，将蒸馏后的原料运输到大型石化工业需要100多公里的距离，就像今天一样，只不过是运输另一种高浓度碳源。同时，我们需要开发新的化学方法用发酵产生的醇制造复杂的分子。在脱水过程中，需要更高效的催化剂，才能将这些醇转化为常规石化工业可以利用的物质。这两条路线都是必要的，因为我们需要继续利用我们已经建立的基础设施。我们还需要生物可降解的新聚合物、表面活性剂和制冷剂，来取代我们目前所依赖的永久化学物质，我们需要确保那些太分散、太稀而无法收集和新开发的物质是无害的。

实现1.5摄氏度目标的最大问题之一是既得利益。我们需要找到一种方法，让企业继续从其资本资产中获取利润的同时实现碳的净负值。在本文中，我们提出了一个模型，它将使传统石化工业繁荣起来，提供塑料、精细化学品和特殊化学品所带来的所有社会经济效益。这将通过封存碳来支付，从而在可再生能源的发展侵蚀化石燃料销售的收入来源时，保护其收入来源。随着能源系统的去化石油化，生物原料的使用将使我们能够利用光合作用固碳，使人造新化石减缓甚至逆转气候变化。