8月，美国国家科学技术委员会（NSTC）可持续化学战略小组发布《可持续化学报告》^[1]，分析了美国可持续化学发展现状、存在不足和发展机遇，将为接下来制定可持续化学发展战略计划提供参考。

一、报告背景

《2021财年国防授权法案》要求白宫科技政策办公室（OSTP）成立一个跨机构工作小组，负责定义可持续化学，全面分析美国可持续化学活动，制定发展战略计划，协调监管、研发等各方活动，将可持续化学纳入联邦研发项目，发展劳动力。2021年秋，白宫科技政策办公室在国家科学技术委员会下成立了可持续化学战略小组。小组由白宫科技政策办公室、国家标准与技术研究院（NIST）、国家科学基金会（NSF）共同领导，成员来自环境保护署（EPA）、卫生与公众服务部（HHS）、能源部（DOE）、农业部（USDA）、商务部（DOC）、国防部（DOD）、国土安全部（DHS）、国家航空航天局（NASA）、小企业管理局（SBA）等。

二、可持续化学的内涵

1、化学的重要性。2021年，化学工业及相关产品行业占美国制造业GDP的21%，生产了1.06万亿美元的化学品、塑料和其他化学密集型产品，直接雇佣约141万名工人。美国通常是仅次于中国和欧盟的化学工业第二或第三大出口国，2022年向国外出口3055亿美元的化学品和化学产品。然而，这种情况可能在未来十年发生变化，包括新兴的化学品法规、石油和天然气等原料的竞争性获取，以及亚洲和中东基础化学品和特种化学品产量的增加。

2、可持续化学的定义。可持续化学是指利用可随手获得、可再生的结构组件、试剂和催化剂，以最佳效率运行，并利用可再生能源生产化合物、材料的化学。这包括在化学品、材料、产品的整个生命周期内有意识地设计、制造、使用和报废管理，使其不会对人类健康和环境造成不利影响，同时促进循环，满足社会需求，提高经济韧性，追求元素、化合物、材料的永久使用，从而不耗尽资源、不积累废物。可持续化学不仅包含绿色化学的概念和原则，而且比绿色化学的视角更宏大，从过程、材料、能源、经济等更全面的角度思考化学如何影响人类、环境、社会和经济。

3、可持续化学的作用。可持续化学的工艺和产品通过脱碳、降低对人类和生态健康的风险、提高材料效率、减少废物，以及通过经济增长、新市场机会、健康和福祉以及国家安全等带来好处。增加可持续化学的实践可以减少供应链的中断，增强供应链的弹性；减少对不安全原材料来源的依赖；提高应对不断变化的条件的能力；在加工和制造过程中提高能源和自然资源的有效利用率；增加材料回收、再加工和制造业工作岗位的分配。

三、可持续化学发展现状

1、国际发展现状。联合国环境规划署（UNEP）制定《绿色和可持续化学：框架手册》，涵盖了可持续化学的科学、技术和政策方面。世界卫生组织（WHO）的《化学品路线图》指出，可持续化学是一项关键战略。欧盟2020年发布《实现无毒环境的可持续化学品战略》，致力于创造一个无毒环境，以最大限度地提高化学品对社会的贡献，同时避免对地球以及子孙后代造成伤害。2022年12月，欧盟详细阐述该化学品战略，发布了通过设计化学品和材料来评估安全和可持续性的框架。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）围绕可持续性进行广泛的研究，发布了生物塑料的建议、可持续杂草和害虫控制的战略、循环经济和废物管理的机遇等报告。中国自2016年以来就将包括化学在内的工业绿色化列为优先事项，这些优先事项包括使化学生产技术现代化以减少空气和水的排放，以及在农业和其他化学部门改用毒性较小的配方。

2、美国发展现状。2019~2022财年，联邦政府在可持续化学研发活动方面的总支出估计为14亿美元，其中支出最大的部门包括DOE（7.3亿美元）、NSF（3.64亿美元）、DOD（2.18亿美元）和HHS（9100万美元）。各部门支持的一些代表性研发活动如下。

（1）DOE。科学办公室下属的先进科学与计算研究办公室（ASCR）通过提供先进计算能力支持可持续化学发展，其支持的“通过先进计算进行科学发现”（SciDAC）项目，2021财年资助了用于化学和材料系统的数据驱动设计和控制、复杂系统中化学反应活性建模等可持续化学方面主题。基础能源科学办公室（BES）通过“材料科学与工程”“化学科学、地球科学和生物科学”等项目支持可持续化学研究，涵盖化学转化、基本相互作用、光化学、生物化学、地球化学以及材料发现、设计和合成。BES还资助了多个能源前沿研究中心和能源创新中心，前者与可持续化学相关的研究包括聚合物的循环与设计、电池设计、光催化、新催化剂设计、碳中性氢的生产和利用以及能源与水的关系等，后者聚焦太阳燃料和电池与储能等可持续化学问题。此外，DOE还支持成立了内涵能降低与减排研究所（REMADE）、过程强化部署快速推进研究所（RAPID）、使热塑性塑料远离垃圾填埋场和环境的生物优化技术联盟（BOTTLE？）等。

（2）NSF。“可持续发展关键方面”项目通过核心学科项目支持基础研究，旨在提高资源的可持续性，同时保持或改进现有产品，为全球提供技术先进、具有经济竞争力、环境友好的有用材料。化学创新中心项目支持面向领域重大挑战的重大、长期基础化学研究。从事可持续化学相关研究的中心包括气溶胶对环境化学影响中心、可持续聚合物中心、可持续纳米技术中心、有机电化学合成中心、基因编码材料中心、分子优化网络化学中心、碳氢键选择性功能化中心等。

（3）DOD。战略环境研究和发展项目（SERDP）面向国防部关注的污染物，资助基础和应用研究和先进技术开发。环境安全技术认证项目（ESTCP）则为新的、可持续的化学技术和产品的验证和示范等活动提供资金。ESTCP资助陆军武器装备研究发展与工程中心验证无毒、可生物降解的生物基清洁剂、润滑剂、防腐剂的性能，以作为石油基产品或可能刺激眼睛、皮肤、呼吸道的产品的可能替代品。此外，陆军战备安全替代品项目为陆军内部的研究提供资金，用于开发对全球变暖影响较低的制冷剂、可持续涂层、可持续金属表面处理（减少有毒金属）、减少空气中铅含量、可持续弹药和可持续润滑剂等。

（4）HHS。食品与药品监督管理局（FDA）促进使用连续制造、分布式制造、即时制造等创新技术制造的药品的开发和批准，这些技术有望减少危险化学品的使用或产生，降低制造、储存和运输所需的能源，实现灵活、稳健的供应链。

（5）其他。NIST发挥数据资源优势（如质谱数据库），为食物中农药残留测定、食品包装污染、塑料污染等涉及可持续化学的方面提供数据支持。地质调查局（USGS）评估关键矿物的全球地质分布、供应和需求。农业部“生物精炼、可再生化学品和生物基产品制造援助”项目提供最高2.5亿美元的贷款担保，以支持包括可再生化学品在内的新兴技术的开发、建设和改造。EPA组织开展“绿色化学挑战奖”评选工作，“化学品安全促进可持续发展”项目通过开发工具、模型和生成数据，为化学品的全生命周期风险评估和替代品评估提供支持。

四、关键技术

技术支持对于实施强有力的可持续化学战略计划至关重要。2018年，美国政府问责局发布报告，指出推动可持续化学发展的3项主要技术：使催化剂更具可持续性的技术；使溶剂使用更具可持续性的技术；更具可持续性的替代间歇式过程的技术。除了这些特定的化学创新需求外，还有其他领域的技术发展将促进可持续化学。

1、数据共享平台。数据共享平台对于解决材料全生命周期中的可持续化学问题至关重要。这些平台的开发应优先考虑与现有平台的协调及其透明度，以便政府、学术界、企业和公众等都能获取相关信息。

2、人工智能和机器学习。这些技术有望加速材料发现和工艺设计，并提供关于潜在危害和环境可持续性的信息。高通量筛选和计算毒理学可以提供对于筛选至关重要的专业知识和分析技术，以帮助指出需要进行更深入的毒理学研究的方面。

3、循环技术和基础设施。这是可持续化学的关键。发展循环技术，包括利用循环和回收材料开发化学品的技术，需要废旧材料和化学品不断重新进入供应链。

4、合成生物学。这是推动可持续化学创新的另一个技术方向，重点在于重新设计生物体以获得新能力、生产新物质等。

5、将基础研究成果转化为应用和商业化。这是推动可持续化学发展的核心。通过在产品和技术中应用可持续化学的基础和应用研究成果，可以带来显著的社会效益。

五、战略机遇领域

1、制定标准和指标。当前，关于化学品可持续性的标准化工具和信息的缺乏，增加了决策的不确定性，减缓了应用可持续化学研究成果的进度。因此，需要制定透明、连续、标准化、统一的指标。指标的制定需要基于可持续化学的定义和属性，应与其属性保持一致并可对其进行评估。指标的确定和制定将是近期的一项重要活动，包括何时何地使用指标以及如何权衡利弊。

2、数据共享。数据的标准化和统一对于发展可持续化学至关重要，并应遵循可发现、可访问、可交互、可重用（FAIR）原则。鉴于数据来源众多，数据收集、分析和加工的标准化可以促进各方加强合作、增进信任。统一是指协调各种数据类型、数据来源和格式，从而相互兼容和可以比较。开发用于加工、压缩、标引、分析、整合海量异构数据和从出版物中提取结构化信息的人工智能方法，对于应对这些挑战至关重要。

3、全生命周期评估/模块化设计。为成功设计出节能、脱碳、可循环的工艺过程，必须进行整体分析，包括从分子层面洞察原子和能源经济性，到宏观层面考虑工艺过程。与此相配合，需要开展覆盖整个过程的全生命周期评估、技术经济评估、可持续性评估等。开展模块化或减少复杂性的材料设计，以延长使用寿命，减少分解所需的时间。

4、资源获取。资源获取和供应链稳定是可持续化学的一个实际而重要的组成部分。一方面，减少催化过程对关键矿物的依赖，推进使用丰产金属。另一方面，提高催化效率，加强获取和使用关键元素，改进其回收方法，特别是用于制造电子、电池、磁体行业关键部件的稀土元素。

5、替代品。开发替代元素（非关键、稀有元素）、替代化学品（新平台分子）和替代化学工艺是从根本上从影响人类健康和环境转向可持续化学的关键。对于替代化学品，需要开发对自然资源的需求、对环境和人类健康影响最小的替代品。对于替代工艺，需要开发可分布式、规模灵活、使用较低压力和热量或替代能源、产生较少废物和排放物的制造工艺，需要识别可替代石油基原料、由陆地或海洋微生物产生的天然化学物质。

6、新方法。用于监管的新的危害评估方法是发展可持续化学的一个重要方面。新方法包括可以用于补充或替代动物试验的化学、体外、硅学等。计算化学，包括人工智能/机器学习、高通量筛选、计算或预测毒理学，也是发展方向。许多新的危害评估方法可以对现实或理论中的化学物质进行快速危害筛查，辅助设计更安全的替代化学品。这些方法还可以用于评估人类群体之间或者易感亚群体内部对化学品毒理反应的变异性。

7、其他。经济动机可以为可持续化学提供强大的市场需求。尽早对学生进行教育对于培养一支拥有可持续化学知识的人才队伍至关重要。确保充分了解化学品和材料对环境和人类健康的影响，对于发展循环经济至关重要。                               （边文越 张超星）