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隨著全球溫室氣體排放導致的極端氣候等后果日益加重，各國相繼紛紛做出重大承諾，采取更加積極有為的舉措，大幅度削減碳排放量，努力在本世紀中下旬實現“凈零排放”。

一時間，“碳達峰”和“碳中和”成為媒體熱詞，但工業要發展，社會要運轉，一些固有的碳排源很難短時間切斷，負碳技術就成了和碳排放“雙向奔赴”實現“碳中和”的關鍵。

但什么是負碳技術，它又是怎樣實現“碳中和”的呢？

首先，在人類文明早期，碳排放是文明進步的標志。

從原始草木到薪材木炭，再到焦炭、煤炭以及到現代石油等。“燒什么”和“怎么燒”是長久以來觀察當時社會文明發展程度的重要指標。

但隨著“文明進步”，碳排放量逐漸逼近紅線。

根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）氣候報告的測算，與工業化之前時期相比，2010-2019年這短短十年，人類社會高強度的碳排放導致氣候變暖0.9-1.3℃，已經日益迫近巴黎協議中規定的1.5或2℃變暖的氣候紅線。

隨著全球范圍內的溫室氣體含量上升，極端氣候及生態危機日益頻繁，國際社會逐漸形成了一個堅定共識，大幅遏制當前無節制的碳排放，尋求更加清潔高效的能源推動經濟發展，保持生態可持續運行。為了實現這個目標，科學家將眼光集中在負排放技術（NETs）上。

所謂負碳技術，通俗地講，就是力圖實現從大氣里把“超標”的二氧化碳移除并進行穩定儲存甚至功能化轉化的技術。

目前實現負碳的核心思路主要有兩個方向。

一個通過環境技術開發介入，修復及增強生態系統的自然“力量”，從而實現基于生態系統等光合作用等將空氣中二氧化碳轉化為自然碳匯實現碳的移除和儲存。具體如通過新的育種種植技術開發實現大規模治沙還林、加快海洋生態漁場，貧瘠土壤生態修復等建設，從而恢復包括旱地、濕地以及鹽堿地等生態弱化區域的總生物量等，讓植物和土壤來吸收并固定二氧化碳；

另一個則是利用人工技術直接從大氣甚至工業廢氣中“抓取”二氧化碳并用于把包括甲醇等綠色燃料制備，碳材料轉化等形式進行穩定儲存起來，或者通過深海，深地乃至枯竭油氣田等特殊穩定地質條件下進行碳捕集利用與封存（CCUS）。

當前，維持經濟發展的巨大慣性使得當前地球的碳排放強度還在高位，負碳技術的技術體系還在不斷完善。隨著各國對減排降碳的綠色發展的進一步認識，未來的負碳技術將在巨大的時代機遇的支持下迎來更加蓬勃發展。

此外，水能、光能、風能及核能等清潔能源不斷被納入現代能源供應體系，然而面對急劇上升的能源供應缺口和對碳減排效率提升的現實迫切需求，富炭生物質的高價值開發不僅作為一種傳統能源的補充，更是具備制備多種高效能的功能生物炭材料實現以炭抑碳的“負碳使者”，從而最大限度助力碳達峰和碳中和目標的實現。

這就又引出了一個有趣的問題，這些經過制備的碳材料是怎樣以炭抑碳并最終實現負碳效應的呢？

其實，隨著近現代科學技術的發展，人們對生物質炭化制備過程的調控機制理解不斷深入，炭從簡單的燃燒材料開始被不斷賦予了包括化學工業、新能源電池、炭基催化劑，土壤改良劑等工業、農業的諸多新功能和對構建碳中和世界的期待。

我們舉一個具體運用的例子來看看這個碳材料究竟如何實現負碳功能。

傳統農業生產會產生大量的稻稈、麥稈等農業殘留物，如果僅僅簡單焚燒，會帶來巨大的環境污染和溫室氣體排放，這是對這一龐大儲量生物質的巨大浪費。通過低溫催化熱解等工藝，將這類時效性強的生物質轉化制備生物炭并通過測土配方的形式搭配化肥使用，不僅一舉解決了簡單焚燒帶來的環境問題，同時還能在很大程度上減少化肥投入、改善土壤質量和提高作物產量。中國尤其重視這類生物炭的實際應用，自 2010 年代初以來中國已有超過100 家公司參與了生物炭業務，并在主要農作物產區選擇了示范點，開展了多個試點項目，取得了良好的經濟和生態效益。

生物炭的農業上的開發利用只是其功能開發的冰山一角。隨著現代材料科學的建立，物質分析手段的不斷豐富，我們對炭材料功能開發機制的理解也在不斷加深。炭也從簡單的一種清潔熱源迅速變成一種參與新能源電池材料開發，具有各種生物活性用于土壤改良，化學工程、金屬冶煉乃至醫藥衛生等各行業的“多面手”，從而實現將“燒炭”這一古老的能源獲取方式變成了當今前沿“負碳”技術開發的華麗轉身。

最后，隨著對生物質源的生物炭轉化制備的認識到深入，如何全面拓展轉化生物質的品類，從而進一步降低生物炭轉化門檻和運用前景就顯得尤為重要。

事實上，作為一種廣泛存在的生物有機物質，碳轉化的源頭來自生物體的光合作用，將空氣中的二氧化碳固定成含碳有機物質參與整個生態圈的碳流動。而在生物質的炭轉化工藝過程中，如何能最大限度減少二氧化碳轉化帶來的碳逃逸，甚至能將空氣中的二氧化碳進行逆向碳捕捉就成了當前生物炭轉化制備的技術前沿。

在這一過程中，以催化為代表的現代生物炭制備技術給生物炭的定向高效制備和更加豐富的功能帶來了革命性的進步。其中，最核心的技術突破點就是通過催化捕捉反應爐中的二氧化碳等含碳氣體轉化生物炭從而大幅提高了炭的轉化效率。

合肥工業大學邢獻軍教授團隊開創性提出一種“固溶分壓技術”，本質是將炭化反應中產生的含碳氣體，在高溫高壓的密閉環境中，重新捕抓、固定進生物炭分子內部，實現讓生物質所含的碳元素盡可能全部轉化成生物炭制品，并實現炭轉化率提升到60%左右。

盡管相比自然界生物質炭化需要成千上萬年的“造化”，反應爐中幾天乃至幾小時的炭化周期已經是人類工業的“奇跡”。但現代工業分秒必爭，如何在更大尺度上增加原料物料投放、縮短炭化周期并最終產出高炭轉化率的生物炭產品，是生物炭制備最終走向大規模工業化的“最后一公里”。

生物圈的炭循環在一定程度上以一種緩慢增加大氣中含碳氣體的濃度的方向堅定推進著，而這在行星氣象的角度會給地球帶來巨大的氣候及生態危機，重塑乃至完全破壞當前微妙的大氣平衡和光熱循環模式。生物質是植物在光熱條件下光合轉化空氣含碳氣體成為有機體的宏觀形態。基于生物質的生物炭轉化，不單是變廢為寶的重要途徑，也是人類以一種負責任態度參與生態碳循環的重要探索。

作為一種環境友好型材料，開發并推廣生物炭產業，不僅可以對農林廢棄物甚至污泥等的回收進行規范，也可以對大氣環境的碳固定和高效使用提供重要工具。生物炭的催化制備讓自然界成千上萬年的轉化周期在以分鐘為單位的極短時間發生，下游豐富且潛力巨大的生物炭運用前景又進一步將生物炭制備開發工業變成一股強大的新質生產力，從而真正實現碳中和產業化、規模化，為最終實現“雙碳目標”而做出巨大貢獻。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：劉強

審核：朱萬斌 中國農業大學生物質工程中心 副教授

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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