在美国西北太平洋国家实验室（PNNL）化学家温迪-肖（Wendy Shaw）的领导下，一项由多个机构参与的研究工作为减少难以电气化的经济领域的排放绘制了新的路线图。这种多层面的方法包括开发非碳燃料、寻找非化石碳源，以及在碳进入循环后使其继续发挥作用，最好能使每个碳原子都有多种用途。

全面的路线图旨在应对难以电气化的经济部门去碳化的挑战。这包括开发非碳燃料、以可持续的方式获取碳以及促进循环经济等战略，在循环经济中，碳原子在各行各业中被多次重复利用，这对于到 2050 年实现净零排放至关重要。图片来源：Cortland Johnson 插图 | 太平洋西北国家实验室

实现碳净零排放的一个关键战略是将个人交通和家庭取暖等重要经济部门转变为依靠可再生能源发电。但是，碳不可能从社会的所有部分去除。塑料在现代社会中无处不在，但却无法实现脱碳，因为它们是由碳基分子构成的。

路线图的作者认为，一次性使用的碳已不再普遍。必须通过循环经济让碳继续发挥作用，在循环经济中，每个碳原子都会被多次使用。碳可以在同一工业部门内重复使用，也可以作为新工业部门的原料。例如，开发聚合物升级再循环工艺和有效再利用碳基材料将是未来实现净零碳排放的核心。

PNNL主任史蒂文-阿什比（Steven Ashby）说："我们需要新颖而有创意的解决方案来实现我们的脱碳目标。合作是加速催化和分离科学领域应用启发式科学研究的关键，这将为这些解决方案奠定基础。我热切地期待着这些成果及其在航空、重型卡车运输和海洋运输中的应用。"

这些想法产生于由 PNNL、艾姆斯国家实验室、阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、橡树岭国家实验室和 SLAC 国家加速器实验室联合主办的"关闭碳循环"研讨会。各实验室的负责人分别包括肖、詹姆斯-莫里斯、马克斯-德尔费罗、桑贾亚-塞纳纳亚克、弗朗西斯卡-托马、米歇尔-基德和西蒙-巴雷。

阿贡主任保罗-卡恩斯（Paul Kearns）说："推进碳回收和碳转化技术是未来清洁能源的关键，阿贡致力于支持碳回收和碳转化技术的发展。我赞扬那些在能源部国家实验室综合体中通力合作，推动这些变革性创新的研究人员，以实现到2050年的净零碳排放。"

氢气和氨气都具有作为无碳燃料的潜力。然而，这两种燃料在实施过程中都面临着明显的挑战。尤其是氢气的储存和运输成本使其在现有技术条件下变得不切实际。开发载体分子和材料，以实现安全、经济的氢气运输，是对能源部"氢地球"（Hydrogen Earthshot）目标的补充，即以每公斤 1 美元或更低的价格生产可再生氢气。成本的降低有助于建立可行的氢基系统。

利用各种来源的碳是拟议方法的核心。碳将继续对许多关键经济部门至关重要。这些部门是通过循环利用和结合多种碳源实现碳循环的候选者。有价值的碳的可能来源包括生物质、食物垃圾和塑料垃圾。要使这一过程成为现实，需要有效和高效的分离和转化，因为大多数非化石碳流都是复杂的混合物。

PNNL物理与计算科学局首席科技官肖说："碳应被视为一种必须加以保护和再利用的宝贵商品。我们的愿景是通过在循环经济中多次重复利用每个碳原子，改变碳在我们经济中的作用"。

有效地将"传统"废料转化为可重复使用的材料仍然至关重要。通过反应分离将分离和转化步骤结合起来可能是一种切实可行的方法。反应分离将化学反应与纯化分离结合起来，可以强化工艺，更有效地转化非化石碳。

莫里斯说："我们需要新的基础科学发展来产生综合的工业方法。由此产生的技术将创造新的经济机会、教育发展和额外的就业增长"。

路线图提出了一个没有浪费的未来，在这个未来中，碳被视为一种珍贵的商品，而不是一种可支配的资源。将可持续碳源带入碳循环经济是实现这一未来的关键。

本路线图是题为 "关闭碳循环：能源科学的机遇 "研讨会，由能源部的七个国家实验室于 2022 年 7 月 18 日和 19 日举办。

DOI: 10.1038/s41570-024-00587-1

编译来源：ScitechDaily