以哲学角度理解碳能体系：绿色碳科学

作者简介

何鸣元，中国科学院院士，华东师范大学终身教授。历任石油化工科学研究院基础研究部主任、副总工程师、总工程师。获1995年国家发明二等奖，1996年“国家十大科技成就“。曾获何梁何利基金科学与技术进步奖、中国催化成就奖、中国分子筛终身成就奖、中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖、首届中国化学会-新和成绿色化学奖卓越贡献奖，以及“Green Carbon”学术期刊首届绿碳杰出成就奖、中法化学讲座奖等。

孙予罕，研究员，担任怀柔实验室山西研究院院长、上海科技大学2060研究院首席科学家，以及上海科创低碳技术创新功能型平台负责人。已在Nature、Science 等期刊发表学术论文800余篇，相关工作入选国家基金委2016年度基础研究主要进展和2016年上海市十大科技事件，曾两次获得中科院杰出成就奖。

韩布兴，中国科学院院士。中国科学院化学研究所研究员、发展中国家科学院院士、英国皇家化学会会士、中国化学会绿色化学专业委员会主任等。主要从事物理化学与绿色化学的交叉研究，在Science、Nat. Chem、Nat. Synth.、Nat. Catal.、Nat. Sustain.、Nat. Chem. Eng. 等期刊发表SCI收录论文1000余篇，获国家专利100余件，在重要学术会议做大会报告和邀请报告300余次。获国家自然科学奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、何梁何利基金奖科学与技术奖等。

2010 年前后，笔者基于对碳的问题的困惑和相互之间的多次讨论，提出了“绿色碳科学”理念，并将其定义为“含碳物质从资源加工、能源利用、碳固定到碳循环全过程的碳化学键演变规律，及其基于原子经济性的优化”。笔者尝试以老子《道德经》中“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想来理解碳能体系，以碳能体系的运行为宇宙万物运行规律之一，以对立而统一的氧化和还原反应为其二，以践行氧化和还原反应的碳、氢、氧三元素为其三，三元素所构成的三元体系，以及由三元素演进的多个三元分子体系，则成为万物化生的基础。

何鸣元 孙予罕 韩布兴

2025 年10 月20 日

对于碳的问题及其对人类社会的意义，应该从物质、生命、能源、环境等多个重大方面来认识。碳不可或缺，对于碳科学的辩证认识，一是平衡，二是循环。这是绿色碳科学（green carbon science）的基本观点。

王安石诗云：“春风又绿江南岸”。春风以其温度和水分直接促进绿色植物生长，而其所含二氧化碳的作用也绝对不容忽视。二氧化碳不但是植物生长的食物，更是生命的来源。二氧化碳所造成的温室效应是产生生命的必要条件。二氧化碳，温室效应，生命诞生，植物动物，化石能源，人类社会，物质文明……，这一系列概念关联而演进，其源肇始于碳，可见碳的重要性；这一系列关联而演进的概念，涵盖了广泛深入的有关碳的科学内容，正基于此，我们提出了绿色碳科学理念。

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绿色碳科学购买

何鸣元 孙予罕 韩布兴 等 编著

北京: 科学出版社, 2026. 7

ISBN 978-7-03-085038-6

绿色碳科学是以碳中和为目标，基于氧化还原化学构建新能源体系的跨学科领域，核心是解决“可持续发展—碳能源—CO₂”三元难题，推动碳资源高效利用。《绿色碳科学》以碳氢氧三元素体系为框架，解析碳循环机理，涵盖四大技术平台（化石能源低碳化、生物质/废塑料利用、CO₂ 转化、人工光合作用）及六大前沿方向（碳活性物种、水化学、热化学等），面向化学、能源等领域的高校师生与科技人员，兼顾理论与应用，助力“双碳”目标下的技术创新。

▌1引言

绿色碳科学概念的提出，旨在从碳资源加工、碳利用和碳循环的全过程出发，深入探讨对“碳”的问题的认识，并尝试寻求实现碳中和目标的科学技术解决方案。

碳能源体系实质上是一个碳循环体系。图1 展示了碳能源体系运行过程中的四个转化反应分域，基于此可发展解决碳中和问题的四个技术解决方案和开发平台。图中黑色和绿色箭头分别表示氧化和还原的反应方向。简言之，氧化和还原反应本质上构成了碳能源体系基础的对立而统一的两个部分。

图1 基于氧化和还原实现碳平衡和碳循环的绿色碳科学理念：包括四个技术解决方案和开发平台。黑色和绿色箭头分别表示氧化和还原的反应方向

从碳获取能量（化学能），同时释放二氧化碳，这是地球上出现需氧生物以来每时每刻都在进行的过程。人类的出现，除了维持生存的基础消耗之外，还通过燃烧含碳物质获得热能，并进一步将化学能转化为动能和电能等，使得二氧化碳排放量大幅度增加。特别是工业革命之后，二氧化碳排放量急剧上升，曾经得以维系的碳平衡已不复存在。因此，人类不得不开始积极寻找可再生能源。可再生能源并不限于生物质能源和非碳能源，二氧化碳也可以视为绿色原料，尤其是可再生能源产生/推动的二氧化碳的利用，是实现碳中和的直接贡献者。

图2 碳氢氧三元素体系

Corma 指出：“碳不可或缺，没有碳就没有生命，没有二氧化碳生命将难以维系。简言之，碳的问题，其要素一是平衡，二是循环。”有史以来最深奥的古代哲学书籍之一是老子（公元前571～公元前约471 年）所著的《道德经》。《道德经》和《圣经》，同属世上翻译最多的书籍。在众多的英译本中，Lin 的译本附有评注和解释以帮助理解。其中，第42 章：“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和。”对“道”的朴实的理解可认为是“宇宙万物及其运行规律”。我们以碳能作为研究对象并以其为一。道的一个重要主题是自然界万物的二元性。在图2中心的太极图中，白色区域代表阳（或正），黑色区域代表阴（或负），一方面，两者互补且不断地相互对抗和相互作用；另一方面，没有对方自身便不复存在。对于作为研究对象的碳能，其化学基础是氧化反应和还原反应，两者相反而互补，可以此为二。碳能系统由碳、氢、氧三元素所构建，这三种元素足以有效完成碳能体系中发生的所有氧化反应和还原反应，是为三。基于碳氢氧三元素可发生众多的反应转化和产生众多的化合物分子，是为三生万物。图2还表示三元素交互反应生成多种化合物分子。可以看出，在碳氢氧三元素构建的碳能体系范畴之内，众多反应和众多产物分子中，氢气、二氧化碳和水三种分子最为重要，它们之间的交互反应和转化，如二氧化碳与氢气之间的还原和甲醇合成等反应，二氧化碳和水之间的光合作用和人工光合作用，以及水解离为氢气的反应等，成为当今乃至未来很长一段历史时期能源化学研究的前沿。

▌2绿色碳科学基础：基于三元体系的碳氧化还原

碳能属于化学能，作为化学能基础的反应是氧化还原反应。以碳氢氧三元素体系为基础的含碳能分子或碳能体系，其所能提供的碳能取决于所包含的元素及这些元素在氧化还原反应中的价态变化。由此提出碳能指数（CEI）的概念，可以用下式抽象地表达分子与碳能的关联，式中所列三项分别是各乘以相对的化学价系数的碳碳比、氢碳比和氧碳比，以此可得到以碳氢氧三元素体系来定义的分子的CEI：

以包含三元素的nO/nC 和nH/nC 为坐标建立氧化还原坐标系，试以此来表达整个碳能体系中不同分子的氧化还原态势，如图3所示，计算得到的CEI 标注于化合物名称之后。位于坐标系中斜率0.5 的斜线上所有分子的氢氧原子比均为2，这条线把所有的化合物分子区分为两个区域，左上方所有化合物分子CEI小于1，可认为是趋向于氧化的区域；右下方所有化合物分子CEI 大于1，可认为是趋向于还原的区域。可以看到，我们所熟知的众多生物质转化的平台分子，如糠醇、γ-戊内酯、乙酰丙酸等都位于坐标系中右下方区域。

图3 以氧化还原坐标系表达的三元素体系中不同分子的氧化还原态势

以碳氢氧三元素体系为基础，可直接得到的主要产物有CO₂、CO、CH4、CHx、CHxOy 和H₂O 等。从这几种产物分子出发，必须探索多种反应途径，以满足人类对燃料和化学品的需求。显然，二氧化碳的还原转化是碳中和以及构建碳循环体系的关键。二氧化碳的还原需要氢，获取氢最可取的途径是水的分解。同时，CH4也是还原反应的氢源，而与CO 相关的反应可以直接影响并促进二氧化碳的利用。最具挑战性和实际意义的反应，则是CO₂ 和H₂O 之间的反应，无疑是当前研究的热点。由此分析，三个三元分子体系最为重要：CO₂/H₂O/H₂、CO₂/H₂O/CH4 和CO/H₂O/H₂，如图4所示。这三个三元分子体系所包含的各种反应列于图中。图4实际上展示了为实现碳中和构建新能源体系的反应化学途径。

图4 不同三元分子体系

以包含三元素的nO/nC 和nH/nC 为坐标的氧化还原坐标系，也可用于表达并比较图4 中的三元分子体系中各反应的氧化还原态势，如图5所示。位于坐标系中CEI = 1.0 的反应所在的斜线把所有的反应区分为两个区域。反应物体系中分子的CEI 总和也标注于反应名称之后。可以注意到，图5 中各反应的坐标点都位于多条斜率为0.5 的平行斜线上，不同反应组合的特定反应过程则位于斜线之外。可以根据特定目的或工艺过程开发的需要来组合图4所列的不同反应。

图5 以氧化还原坐标系表达三元分子体系中不同反应的氧化还原态势

二氧化碳是一种含碳资源，按碳、氢、氧三元素组成与化石能源和生物质进行比较，如图6 所示。图5中从左上到右下，氧含量减少，氢含量增加。二氧化碳和一些含氢量不足的化石能源的有效利用，关键显然在于氢。增加天然气的使用肯定有助于缓解对氢的紧迫需求。天然气的绿色利用，具有较高的碳原子效率和能源效率，在目前阶段尤其重要。急需发展CO₂ 零排放或低排放的氢生产技术。利用太阳能实现水分解以产氢，是终极的最佳选择。我们所讨论的三元素体系和不同的三元分子体系，可以为现代能源体系构建和能源工业发展提供战略考虑的基础。

图6 氢是能源加工和CO₂ 利用的关键

化学是物质转化的核心科学。碳能源体系的基本科学问题与所涉及分子的原子组成和原子间相互关系密切相关。不同含碳分子，包括二氧化碳在内，其反应和转化始于反应物分子的活化。不同的碳活性物种具有不同的C、H、O 组成，元素组成的变化在碳能源体系中体现为氧化反应或还原反应。对于氢的需求，最终选择无疑是利用太阳能分解水以制取氢。当前，电解水制氢是行之有效的工业手段。能否直接从水分子中获取并同时利用氢，即直接用水作为反应所需的氢源？这是一个极具吸引力的研究方向。水作为氢源直接利用的关键在于水分子中O—H 键的活化。必须基于电子和质子的转移深入认识氧化还原化学。对于CO₂/H₂O/H₂ 三元分子体系中反应物分子的活化，以及相互转化所涉及的氧化还原化学，可以说是构建新能源体系的基础。

▌3绿色碳科学的分子视角和研究方向

图7 总结了以绿色碳科学理念为核心构建新能源体系的基础研究方向。图中以CO₂/H₂O/H₂ 三元分子体系代表绿色碳科学理念，突出了这些分子在构建新能源体系中的重要性。相关的基础研究方面从碳活性物种开始，然后是水和氢键、氧化还原化学、工程热化学、纳米尺度分子动态行为，最后是二氧化碳反应工程。Xu 等讨论了工程热化学的概念。缺氢的碳资源加工通常有两种不同的途径，一是加氢，二是脱碳，后者与工程热化学密切相关。生物质加工、二氧化碳利用、塑料废弃物和城市垃圾回收利用等，多种技术的开发都在很大程度上依赖于工程热化学研究。可以说，没有工程热化学，循环经济就无从谈起。绿色碳科学聚焦于含碳化合物转化，包括从碳资源加工、碳能源利用、二氧化碳固定到碳循环所涉及的化学和相关过程。显然，传递是一个异常复杂的问题，具有多尺度、多相和多步骤等特点。例如，在SAPO-34 和ZSM-5 等具有不同孔结构的催化材料中进行甲醇选择性转化时，纳米尺度分子动态行为的重要性得到充分体现。这意味着动态观察和认识纳米反应器中的反应机理非常重要。就二氧化碳转化而言，研究的实际目的是开发二氧化碳加工工艺，并最终建立二氧化碳工业，使之与煤炭工业、石油工业和天然气工业并存。因此，基于新概念和新设计的反应工程及新型反应器的发明和研究，包括膜反应器、微通道反应器、集成模块反应器等，对于实现二氧化碳的有效转化，是非常必要的。

图7 以绿色碳科学理念为核心构建新能源体系的基础研究方向

绿色碳科学所探讨和寻求的最终目标在于实现碳中和目标并构建与之相应的新能源体系。在探讨其理论基础的过程中，构建新型能源体系的“分子视角”正逐渐清晰，即需要合理选择与组合诸多因素或基本单元，包括化学元素、原子、分子、化学键乃至成键电子等。Weckhuysen 等指出：“一个以‘拼接’小分子（而非‘切割’原油等大分子）为特征，以循环利用为核心、由绿电和可再生氢能驱动的新时代正在萌芽。”

碳能量为人类文明的创造作出了贡献。碳能体系的运行是宇宙万物运行的重要规律之一。碳能体系运行规律的核心可概括为氧化和还原的对立与统一。用老子的哲学语言，即“大道至简”。

绿色碳科学涉及化学化工、能源、环境、生物、物理、材料和信息等多学科领域的交叉渗透。绿色碳科学发展将为碳资源开发、利用以及循环利用提供新的策略。创新发展是绿色碳科学的必然要求。应通过不断创新，发展碳资源利用的新原理、新方法、新路线、新工艺和新技术。让我们努力推动绿色碳科学的发展，为人类社会的可持续发展和碳中和目标实现做出重要贡献。

本文摘编自《绿色碳科学》（何鸣元等编著. 北京: 科学出版社, 2026. 7）一书“第1 章 绿色碳科学导论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-085038-6

责任编辑：张淑晓

本书可供化学、环境、能源、材料等专业的高年级本科生、研究生及科研人员阅读和参考，也可供行政管理人员借鉴。

（本文编辑：刘四旦）

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