图虫创意

随着全球温室气体排放导致的极端气候等后果日益加重，各国相继纷纷做出重大承诺，采取更加积极有为的举措，大幅度削减碳排放量，努力在本世纪中下旬实现“净零排放”。

一时间，“碳达峰”和“碳中和”成为媒体热词，但工业要发展，社会要运转，一些固有的碳排源很难短时间切断，负碳技术就成了和碳排放“双向奔赴”实现“碳中和”的关键。

但什么是负碳技术，它又是怎样实现“碳中和”的呢？

首先，在人类文明早期，碳排放是文明进步的标志。

从原始草木到薪材木炭，再到焦炭、煤炭以及到现代石油等。“烧什么”和“怎么烧”是长久以来观察当时社会文明发展程度的重要指标。

但随着“文明进步”，碳排放量逐渐逼近红线。

根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）气候报告的测算，与工业化之前时期相比，2010-2019年这短短十年，人类社会高强度的碳排放导致气候变暖0.9-1.3℃，已经日益迫近巴黎协议中规定的1.5或2℃变暖的气候红线。

随着全球范围内的温室气体含量上升，极端气候及生态危机日益频繁，国际社会逐渐形成了一个坚定共识，大幅遏制当前无节制的碳排放，寻求更加清洁高效的能源推动经济发展，保持生态可持续运行。为了实现这个目标，科学家将眼光集中在负排放技术（NETs）上。

所谓负碳技术，通俗地讲，就是力图实现从大气里把“超标”的二氧化碳移除并进行稳定储存甚至功能化转化的技术。

目前实现负碳的核心思路主要有两个方向。

一个通过环境技术开发介入，修复及增强生态系统的自然“力量”，从而实现基于生态系统等光合作用等将空气中二氧化碳转化为自然碳汇实现碳的移除和储存。具体如通过新的育种种植技术开发实现大规模治沙还林、加快海洋生态渔场，贫瘠土壤生态修复等建设，从而恢复包括旱地、湿地以及盐碱地等生态弱化区域的总生物量等，让植物和土壤来吸收并固定二氧化碳；

另一个则是利用人工技术直接从大气甚至工业废气中“抓取”二氧化碳并用于把包括甲醇等绿色燃料制备，碳材料转化等形式进行稳定储存起来，或者通过深海，深地乃至枯竭油气田等特殊稳定地质条件下进行碳捕集利用与封存（CCUS）。

当前，维持经济发展的巨大惯性使得当前地球的碳排放强度还在高位，负碳技术的技术体系还在不断完善。随着各国对减排降碳的绿色发展的进一步认识，未来的负碳技术将在巨大的时代机遇的支持下迎来更加蓬勃发展。

此外，水能、光能、风能及核能等清洁能源不断被纳入现代能源供应体系，然而面对急剧上升的能源供应缺口和对碳减排效率提升的现实迫切需求，富炭生物质的高价值开发不仅作为一种传统能源的补充，更是具备制备多种高效能的功能生物炭材料实现以炭抑碳的“负碳使者”，从而最大限度助力碳达峰和碳中和目标的实现。

这就又引出了一个有趣的问题，这些经过制备的碳材料是怎样以炭抑碳并最终实现负碳效应的呢？

其实，随着近现代科学技术的发展，人们对生物质炭化制备过程的调控机制理解不断深入，炭从简单的燃烧材料开始被不断赋予了包括化学工业、新能源电池、炭基催化剂，土壤改良剂等工业、农业的诸多新功能和对构建碳中和世界的期待。

我们举一个具体运用的例子来看看这个碳材料究竟如何实现负碳功能。

传统农业生产会产生大量的稻秆、麦秆等农业残留物，如果仅仅简单焚烧，会带来巨大的环境污染和温室气体排放，这是对这一庞大储量生物质的巨大浪费。通过低温催化热解等工艺，将这类时效性强的生物质转化制备生物炭并通过测土配方的形式搭配化肥使用，不仅一举解决了简单焚烧带来的环境问题，同时还能在很大程度上减少化肥投入、改善土壤质量和提高作物产量。中国尤其重视这类生物炭的实际应用，自 2010 年代初以来中国已有超过100 家公司参与了生物炭业务，并在主要农作物产区选择了示范点，开展了多个试点项目，取得了良好的经济和生态效益。

生物炭的农业上的开发利用只是其功能开发的冰山一角。随着现代材料科学的建立，物质分析手段的不断丰富，我们对炭材料功能开发机制的理解也在不断加深。炭也从简单的一种清洁热源迅速变成一种参与新能源电池材料开发，具有各种生物活性用于土壤改良，化学工程、金属冶炼乃至医药卫生等各行业的“多面手”，从而实现将“烧炭”这一古老的能源获取方式变成了当今前沿“负碳”技术开发的华丽转身。

最后，随着对生物质源的生物炭转化制备的认识到深入，如何全面拓展转化生物质的品类，从而进一步降低生物炭转化门槛和运用前景就显得尤为重要。

事实上，作为一种广泛存在的生物有机物质，碳转化的源头来自生物体的光合作用，将空气中的二氧化碳固定成含碳有机物质参与整个生态圈的碳流动。而在生物质的炭转化工艺过程中，如何能最大限度减少二氧化碳转化带来的碳逃逸，甚至能将空气中的二氧化碳进行逆向碳捕捉就成了当前生物炭转化制备的技术前沿。

在这一过程中，以催化为代表的现代生物炭制备技术给生物炭的定向高效制备和更加丰富的功能带来了革命性的进步。其中，最核心的技术突破点就是通过催化捕捉反应炉中的二氧化碳等含碳气体转化生物炭从而大幅提高了炭的转化效率。

合肥工业大学邢献军教授团队开创性提出一种“固溶分压技术”，本质是将炭化反应中产生的含碳气体，在高温高压的密闭环境中，重新捕抓、固定进生物炭分子内部，实现让生物质所含的碳元素尽可能全部转化成生物炭制品，并实现炭转化率提升到60%左右。

尽管相比自然界生物质炭化需要成千上万年的“造化”，反应炉中几天乃至几小时的炭化周期已经是人类工业的“奇迹”。但现代工业分秒必争，如何在更大尺度上增加原料物料投放、缩短炭化周期并最终产出高炭转化率的生物炭产品，是生物炭制备最终走向大规模工业化的“最后一公里”。

生物圈的炭循环在一定程度上以一种缓慢增加大气中含碳气体的浓度的方向坚定推进着，而这在行星气象的角度会给地球带来巨大的气候及生态危机，重塑乃至完全破坏当前微妙的大气平衡和光热循环模式。生物质是植物在光热条件下光合转化空气含碳气体成为有机体的宏观形态。基于生物质的生物炭转化，不单是变废为宝的重要途径，也是人类以一种负责任态度参与生态碳循环的重要探索。

作为一种环境友好型材料，开发并推广生物炭产业，不仅可以对农林废弃物甚至污泥等的回收进行规范，也可以对大气环境的碳固定和高效使用提供重要工具。生物炭的催化制备让自然界成千上万年的转化周期在以分钟为单位的极短时间发生，下游丰富且潜力巨大的生物炭运用前景又进一步将生物炭制备开发工业变成一股强大的新质生产力，从而真正实现碳中和产业化、规模化，为最终实现“双碳目标”而做出巨大贡献。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：刘强

审核：朱万斌 中国农业大学生物质工程中心 副教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

内容资源由项目单位提供