环球零碳 | 给绿色化学“加点电”

撰文 | 贾顺涵 中国科学院化学研究所

→这是《环球零碳》的第192篇原创

我们离得开化学吗？答案必然是否定的。

化学与我们的衣食住行和国家的稳定发展都息息相关：材料化学为“天宫”空间站的外壳设计提供思路，帮助宇航员抵抗外太空的极端环境；合成化学在新冠肺炎疫苗和特效药的研发中功不可没，为人类早日克服疫情、重回正轨尽心尽力；少了物理化学的支持，北京冬奥赛场的冰面也无法通过超临界二氧化碳技术绿色且高效地冷却……

不言而喻，化学为人类经济社会的发展做出了重大的贡献，并将继续发挥不可替代的作用。

然而，传统化学工业消耗了大量不可再生资源并排放有毒有害物质，对我们赖以生存的地球造成了巨大破坏。面向“碳达峰”和“碳中和”的目标，使传统化学工业脱胎换骨，向着绿色与可持续化转型升级已经成为必然选择[1]。

绿色化学为化学工业走向可持续发展开辟了道路。特别是由清洁新能源驱动的绿色电化学合成异军突起，成为基础研究和产业化探索的热点[2]。什么是绿色化学，电化学又是怎样助力绿色化学反应的呢？这个故事我们从一百多年前南美地区的鸟粪讲起……

01 绿色化学与电化学

1）从“鸟粪战争”到高效合成氨

在十九世纪，智利、秘鲁和玻利维亚为了争抢当地的海鸟粪大打出手，爆发了一场 “鸟粪战争”，堪称南美版本的“三国演义”。原来，这些海鸟粪便中含有丰富的氮元素，是当时人们合成含氮肥料和化学品的重要原料。直到科学家发现氮气和氢气可以在催化剂的促进下反应生成氨气，海鸟们才得到解脱。这个反应为以氨气为原料合成一系化学品奠定了基础，催生出了现代农业，改写了人类社会的发展历史。

然而，现行的合成氨技术需要严苛的高温高压条件，不仅不利于生产安全，也与 “双碳”目标相违背。化学家们不禁思考，如何在温和的条件下合成氨呢？目前，科研人员成功实现了以空气中的氮气或废水中的硝酸根为原料，在电解的条件下得到氨，为温和条件下氨的绿色生产提供可能[3]。

2）从源头消除污染的绿色化学

从“鸟粪战争”不难看出，化学为生产化学品和推动社会进步做出巨大贡献。但是，传统化学过程伴随着资源浪费和环境污染。化学如何在创造物质财富的同时保护人类赖以生存的环境呢？在上世纪90年，绿色化学的概念应运而生。如图1所示，绿色化学以“从源头上消除污染”为目标，通过对产品和生产过程的设计，减少或避免有害原料的使用和有害物质、废弃物的产生。

图说：绿色化学（绿色箭头）与传统化学过程（红色箭头） 图片来源网络

不言而喻，绿色化学资源是绿色化学反应的基础。哪些化学资源更为绿色呢？和传统有毒有害的化学原料相比，水、空气中的氮气和二氧化碳、生物质和塑料废弃物都是极具前景的绿色化学资源。绿色化学资源分子的绿色转化是化学走向可持续发展的必经之路。

3）电化学——惰性化学键的“剪刀”

然而，化学分子内部通常含有惰性化学键，这些化学键像锁链一样将分子内部的原子紧紧连接在一起，不会任人摆布。化学家们如何“剪开”惰性化学键，实现绿色化学资源的高效转化呢？加热也许是一个选择。就像炒菜时，加热可以促进食材的反应，制作出可口美食。然而，维持高温需要燃烧大量燃料并排放二氧化碳，与“双碳”目标相悖。

图说：绿色电化学合成及其优势

近年来，科学家找到了新的“剪刀”——电化学。电化学使用清洁、可再生的电能驱动化学反应（图2），以其自独特的优势吸引了研究者的关注。许多需要严苛条件的反应，借助电的力量在常温常压下就可以顺利进行。此外，电化学更是可以完成很多在原本根本不能进行的化学反应！与光伏发电集成后，绿色电化学合成就能源源不断地将绿色化学资源高效且清洁地转化为环境友好的化学品和燃料。绿色电化学合成研究正成为化学领域冉冉升起的新星。

02 绿色电化学合成

1）无中生有：空气组分的资源化利用

人类对合成氨的探索，从争夺海岛上的鸟粪资源到向以取之不尽的氮气和水为原料电化学合成氨发展，是人类资源化利用空气组分最典型的案例之一。围绕“双碳”战略，科学家们也提出二氧化碳资源化利用的概念。目前，科学家们已经实现了以二氧化碳和水为原料，电化学合成一氧化碳、甲醇、乙烯和乙醇等多种化学品[4]。

多种化学资源的协同转化成为新的热点领域。科学家成功以氮气、二氧化碳和水为原料电化学合成出尿素[5]。传统化学工业只能以氨气和一氧化碳为原料合成尿素，这项突破为肥料的生产开辟新的道路

2）变废为宝：固体废弃物的提质升级

在我国，每年有近一亿吨的生物质和塑料废弃物产生。电化学提质升级赋予了这些固体废弃物新的生命。以生物质中的木质素为例，电化学可以选择性“剪短”木质素内部的C-O和C-C等化学键，将木质素废料转化为可以重新利用的芳香化学品，有望在一定程度上降低化学工业对石油资源的依赖[6]。而电化学氧化纤维素衍生物5-羟甲基糠醛，可以得到呋喃二甲酸，在合成可降解塑料中具有广泛前景[7]。

除了直接设计可降解塑料，传统的惰性塑料作为新型的绿色碳资源，其循环利用过程也意义重大。近期，研究人员成功将PET（即常用矿泉水瓶的主要成分）转化为氢气、甲酸和对苯二甲酸等化学品，让本已废弃的PET塑料继续为人类社会发挥余热[8]。

3）点石成金：高端化学品的智能合成

绿色化学不仅能优化大宗化学品的生产过程，也为合成结构复杂但价值更高的精细化学品提出了全新的要求。面对药物分子等高度复杂的分子，其最优的合成条件往往需要进行高通量的实验进行验证和筛选，这不仅消耗大量的人力和物力，也对环境造成了污染。

研究人员们依据绿色化学的思想，在化学、物理学和自动化科学等多个学科的指导下，设计了仅用少量溶液即可进行连续化智能合成药物分子的电化学微反应器[9]。这项技术实现了高原子经济性的药物小分子绿色合成，实现了电化学反应条件的快速筛选与反应动力学的精准测量。

03 绿色化学在中国

1）国内绿色化学发展现状

在我国，学术界、产业界和政府都对绿色化学领域高度关注，在绿色化学概念提出不久后就布局了相关研究。截至目前，我国已经取得了瞩目的研究成果，催生了一批新兴绿色化学产业，得到了国际上的认可[10]。

此外，我国创建了绿色化学相关学会、研究机构和期刊平台，并定期举办绿色化学专题学术会议，同时积极向社会各界宣传普及绿色化学科学知识。我国绿色化学领域的科学共同体已经形成并在逐步壮大。

2）我国发展绿色化学的特殊意义

和其他国家相比，我国发展绿色化学格外重要，这是由我国特殊的国情决定的。我国人口众多、发展迅速，但资源较为匮乏，化学生产技术相对落后，经济、资源、环境之间的矛盾格外突出。正因如此，发展绿色化学，实现高效且清洁的化学生产对我国具有更为重要的意义。近期，国内通过关停部分工厂在短期内控制了环境问题，但这绝非长久之计。实现经济和环境效益的双赢，必须依靠科技创新，进一步发展绿色化学技术，推动绿色产业发展。

3）当绿色遇见创新

中共十八届五中全会明确了“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念。绿色化学的创新性发展，是化学工作者们对五大发展理念的深刻诠释。推动化学生产绿色化，对我国乃至全球都是长期且艰巨的任务。

从历史的眼光看，绿色化学仍处于起步阶段，在未来必将加速发展。绿色化学必将使我们的明天更加美好！

（参考文献详见阅读原文）

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附上作者贾顺涵的联系方式：jiashunhan@iccas.ac.cn

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