在迈向净零化学工业的过程中，使用替代碳源替代化石原料，有可能使化学工业显著的“去化石化”。5月，英国皇家学会发布《加速变革：化学工业去化石化》报告^[1]，提出生物质、塑料废弃物和二氧化碳等将成为减少碳排放，生产现代社会所需的基本日常化学品所需的主要原材料。报告分析了这三种原材料作为化工原料所面临的主要挑战、未来的研究需求、新兴路线，以及对替代原料的整体思考等。

一、生物质

1、生物质作为替代原料所面对的挑战和未来研究需求

挑战和需求1：生物质来源有限，需要研发高附加值化学品。生物质原材料存在来自各行业的竞争，主要是生物能源，目前航空燃料等其他行业的竞争也日益增加。为从潜在的有限资源中实现价值最大化，研究的重点可能是具有高附加值的新化学品或专业化学品，如食品、健康产品或化妆品。然而，由于与初级化学品生产相比规模较小，这类产品不会对总体净零转型做出重大贡献。

挑战和需求2：木质纤维素很难加工，需简化其加工流程。将生物质转化为化学品的最困难和最紧迫的挑战之一是处理木质纤维素。木质纤维素在结构和重量分布上是异质的，需要大量高度定制的流程将不同类型的木质纤维素转化为化学品和下游产品，这可能会给企业带来困难。未来，有助于简化木质纤维素加工的研究和创新，可以释放这种未充分利用的资源的经济价值，用于制造更高价值的化学品。

挑战和需求3：物流运输或成本面临挑战，需生产商在工艺和技术进行合作。生物质来源的多样空间分布也可能给化学品生产商带来物流运输或成本挑战。高效工艺设计和技术共享方面的合作有助于行业克服部分问题，而小型集成式生物精炼厂或许能获得更多机会。海藻和藻类等更新颖的生物质形式的使用仍处于研究阶段。

挑战和需求4：预处理技术，需在木质素纤维素的高效预处理方面取得突破。需要开发预处理技术，包括物理（能源密集型，需要专业设备）或化学（需要使用化学品）方法。主要挑战是处理木质纤维素，特别是从纤维素中分离木质素。木质纤维素生物质的高效预处理将是一个重要的突破。

2、生物质到化学品的转化新路线

（1）生物质—柴油—乳酸—聚乳酸—产品（如生物塑料杯）。甘油是生物柴油生产的主要副产品，采用电催化和化学转化的方法将其转化为生物衍生聚合物的前体，即乳酸，该反应的选择性较高，超过85%。乳酸市场正在增长，但与初级化学品市场相比规模仍然较小。乳酸可直接通过生物质中的糖分发酵获得，研究表明，电化学和化学途径可能在环境和技术经济上具有优势。

（2）生物质电解槽中实现高价值化学品和绿氢的低功耗共产。电解槽中，生物质及其衍生物在阳极被氧化，产生高价值化学品；在阴极，生物质中的质子会产生绿氢。由于生物质氧化所需的电位远低于水的氧化，因此所需的总电力输入显著降低，降低功耗的同时降低氢气的生产成本。实现这一技术的关键在于开发高活性和高选择性的低成本催化剂，实现生物质的部分氧化。

二、塑料废物

1、塑料废物作为替代原料所面对的挑战和未来研究需求

挑战和需求1：塑料废物的低收集率以及塑料生产的持续增长问题。利用塑料废物转化为化学品现在是深入研究的重点，但挑战依然存在。从中短期来看，塑料废物流可能是替代原始化石碳的一种很有前途的原料，大幅扩大这条路线的一个主要挑战是塑料废物收集率低。从长远来看，塑料生产的持续增长是一个根本问题。大幅减少塑料生产可能会限制化学品原料的使用量，但最终也会减少对原料的总需求，同时对排放和环境有进一步的好处。

挑战和需求2：需进一步了解塑料的回收机制。目前，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）进行化学回收在商业上已经可行，但对于其他材料来说则不太成熟。未来需要研究提高塑料废物作为化学品原料的可行性。与目前使用化石燃料生产原始塑料相比，废物塑料回收需要进一步了解非机械回收机制、开发催化剂和工艺，并评估产量、能源消耗和可持续性，以评估材料和能源效率。化学品回收利用率的提高需要投资更高水平的废物分离、先进的化学品回收基础设施和资产的改造升级。

2、废塑料到化学品的转化新路线

（1）废塑料气化—合成气—甲醇—烯烃/直链烃。通过将废塑料气化裂解为合成气，然后通过合成气制备甲醇并将其转化为烯烃或利用费托法将其转化为直链烃，这些过程为构建长链分子提供了可能性。改进和优化该工艺的选择性是其获得进一步发展的重要机会。

（2）生物碳和再生碳固体废物液化技术。该技术无需进行废物分类。全球各地正在通过示范装置逐步扩大生物碳和再生碳废弃物液化技术，但还需要进一步研究以优化该过程，使其适应商业化应用。其优势在于该路线能与现有的蒸汽裂解器和下游设施集成。烯烃是许多化学工业的支柱，直接从热解液的馏分中生产，而不经过甲醇等中间体。缺点是形成较轻和较重的馏分，需要再处理。催化热解作为增加过程选择性的一种方式正在被研究。然而，在商业上还不可能在蒸汽裂解器中大规模使用热解油，因为可以加入蒸汽裂解器的塑料热解油的量小于10%。

三、二氧化碳

1、二氧化碳作为替代原料所面对的挑战和未来研究需求

挑战和需求1：不同碳点源收集的二氧化碳纯度不一致，浓缩空气中二氧化碳需要大量的可再生能源，各行业之间竞争激烈。二氧化碳主要有两种潜在来源：发电站等点源和直接空气捕获（DAC）。水泥厂等点源排放的二氧化碳占比约为75%~90%，而天然气发电厂的排放只有4%~5%，二氧化碳的纯度对于后续的化学加工过程非常重要，杂质含量过多有可能引起电化学过程的催化剂中毒等问题。目前DAC主要有两种技术：固态捕获（使用吸附剂）和液态捕获，前者发生在相对较低的压力和中等温度下，后者则需要使用溶液和高温来提取二氧化碳，需要庞大的能源供应，为了限制与这种能源相关的排放，可再生能源成为必须能源，而各行业将为争夺这部分能源展开竞争。

挑战和需求2：DAC技术需要取得突破，为其大规模应用提供成本竞争力。工业点源可以在2030年满足化学部门二氧化碳使用的需求，但到2050年可能还不够，因为在净零排放目标的背景下，点源二氧化碳减少，其他部门的需求增加。还需要考虑二氧化碳来源的选择如何影响气候。为了满足对二氧化碳日益增长的需求，DAC供应量必须大幅增加，为了实现该技术的大规模应用，使从DAC二氧化碳大规模生产化学品具有竞争力，必须在捕获和利用技术上取得突破，大幅降低成本。

挑战和需求3：需提高采用电化学电池的方法将二氧化碳转化为各种产物的催化选择性、溶解度、能量效率及系统对杂质的耐受性。通过施加电压在电化学电池中将二氧化碳电催化转化为各种产物是目前比较成熟的路线。当前技术的主要挑战是：保持对所需碳基产品的选择性；二氧化碳在水中的溶解度非常低；需要额外的电压来驱动反应，这导致能量效率低下；以及电池催化系统对原料杂质的耐受性。该路线一个主要优势是，电催化二氧化碳转化可以与可再生能源相结合。如果不与可再生能源结合，这项技术将导致排放量的净增加，并对化学部门转型以帮助实现净零目标的相关努力产生反作用。

挑战和需求4：利用二氧化碳生产化学品还需要做很多工作。利用二氧化碳生产化学品在有限的规模内是可行的，但需要大量的绿色氢气和可再生能源。利用二氧化碳生产乙烯和其他碳氢化合物需要更多的研究进展，包括在催化、驱动方式（热或电）、工艺和反应器设计以及与其他化学制造过程的配合等方面的进展。①对于热化学催化，重点是降低还原途径的温度，提高选择性，提高对水的耐受性（水是这些还原反应的常见副产品）。将二氧化碳直接转化为高级醇的新方法和新过程受到高度关注，因为这些高级醇可直接生产化学工业中常用的高价值表面活性剂、润滑剂和化工中间体。②利用电催化的方式将二氧化碳转化为乙烯、乙醇和丙醇的过程常常需要铜催化剂，目前正在进行的研究重点是革新化学反应器及流动工程过程、改善碳质量平衡、提高催化剂寿命及其对杂质的耐受性，以及将还原反应与其他化学氧化反应相结合。③采用光化学和光电化学方法促进二氧化碳转化处于更早的技术阶段，需要进行研究来确定最有前途的光活性材料、催化剂及其防止这些材料活性降低的方式和方法。原型器件的生产和材料界面工程也是当前和未来的一个重要研究领域。④针对DAC，需要进一步降低能耗，提高技术效率，并围绕二氧化碳产品的多样化和规模化展开研究。例如，二氧化碳可增加聚合物的韧性并使其更具弹性。进一步的研究和投资可以聚焦将二氧化碳转化为合成气，以进一步将其转化为燃料和中间化学品；将二氧化碳转化成含氧化学品；将二氧化碳还原为醇。

2、二氧化碳到化学品的转化新路线

二氧化碳—绿色甲醇。在远离化石原料的转型过程中，绿色甲醇作为积木式化学品的作用可能会变得更加突出。绿色甲醇可以通过使用绿色氢气经二氧化碳热转化进行生产，这是成熟的技术路线。绿色甲醇也有可能通过生物质的生物化学转化过程进行生产，但这些技术尚未达到商业准备水平。新的化学转化过程，如甲醇制烯烃和甲醇制芳烃工艺，是生产烯烃和芳烃的替代方法。

四、对替代原料的进一步考虑

主要包括4个方面：替代原料的确切未来组合不可预测，且随着时间推移而变化；生物质、废物和二氧化碳来源的组合随国家、时间变化，且同时会增加化学工业更大的异质性；生物技术的发展为替代碳源的利用打开大门，但是很难达到商业化水平，且影响减排潜力；分布式制造所需的少集成、高模块化的企业运作方式面临诸多挑战。                                                                    （张超星）