二氧化碳的故事:小分子,大世界

前言 　　生活中没有可怕的东西，只有需要理解的东西。现在是时候多了解一些，这样我们就可以少一些恐惧。 　　——玛丽 斯克洛多夫斯卡 居里 　　从事学术研究的科学家往往被视为是与社会和政治脱节的人群。不知何故，即使是在2019年，传说中孤独而又衣冠不整的教授们被锁在办公室里，淹没于布满灰尘的书丛，在纸上奋笔疾书的情景，仍然弥漫于我们对学术研究的看法中。我们在大学里的人都知道，这种刻板印象与事实相去甚远，而强有力的合作和有效的沟通才是现代研究型科学家成功的基础。然而，真实的情况是，当今的教授和研究生的任务都是非常苛刻的：撰写申请书、教学、研究和管理职责可以轻易填满一周的大部分时间。偏离自己专注的研究项目并不是一件微不足道的事情，而且通常不会被社群所原谅。 　　造就本书的研究、写作和咨询，无疑是一种偏离研究的练习。我们拥有纳米化学和材料科学方面的专业知识，我们潜心研究可能使二氧化碳（CO2）发生化学反应并产生其他化合物的催化过程。然而，像其他人一样，我们生活在气候变化的威胁下。如果我们要遏制全球气温上升，以维持地球上宜居的环境，那么停止向大气中排放二氧化碳则已成为当务之急。自然而然地，我们开始好奇我们对二氧化碳的研究是如何顺应减缓全球气候变化战略的大局的。事实证明，尽管我们的实验室与化工厂的规模相差甚远，但纳米化学和材料科学的基础研究是改进当前碳相关技术和工业流程的重要环节。 　　自20世纪60年代**批预测全球变暖的预警报告被发布，气候变化已经逐渐传播到公众意识中，并成为我们这个时代无可争议的*大问题。尽管观点总是会有所不同，但许多人，无论其政治倾向或经济信仰如何，都认识到气候变化与人为碳排放有关，并需要采取明确的行动来应对。在撰写这份研究时，即2019年9月，不少于700万人参加了一场全球气候大罢工。随着青年领导的运动日益增多，以及越来越多的国家和市政当局宣布进入气候紧急状态，这一问题的紧迫性便变得再明显不过了。“绿色新政”依据“富兰克林 罗斯福新政”在应对大萧条时的精神而设立——以公正合理的方式向一种零排放经济过渡，如今已在美国成为一项立法提议，并且其他国家也正在迅速跟进开发他们自己的版本。目前，围绕气候变化的社会和政治力量每天都在变化，我们意识到，当读者阅读到本书的时候，部分内容都可能已经过时了。 　　尽管减缓排放的紧迫性终于在主流媒体上变得明显，但完全脱离我们目前以化石燃料为基础的经济的可能性仍然不断受到质疑。电动汽车是燃料发动机汽车的明确替代品，但对于航空旅行，似乎还没有这种切实可行的解决方案。从农田里的肥料到自行车轮胎上的橡胶，今天使用的大多数化学物质和材料仍然来自化石产品。本书提出的想法旨在证明，我们所有的现代工业——从发电到运输、从农业到制造业——在运行过程中不向大气中释放更多的二氧化碳，在技术上是可能的。在向零排放经济转型的过程中，可再生发电、氢燃料和二氧化碳本身都将发挥重要作用。然而，这个故事的核心是这样一个概念，即二氧化碳不仅可以被捕获和隔离，而且还可以被转化为各种各样的产品：从化学原料到聚合物、水泥、药物再到合成燃料。通过这些篇目，我们试图让大家了解*新的科学研究和技术，希望能让大家对未来的无排放世界有一个更清晰的认识。 　　在进一步讨论之前，我们应该强调的是，虽然科学可以解释气候变化的起源及其影响，但它不能单独解决这个问题。气候变化是一个复杂的环境、经济和社会问题，需要全面、系统的解决方案。尽管科学技术在减少我们的排放方面不可避免地发挥了重要作用，但解决方案只有在实施时才真正有效。正如我们将要看到的，我们的步子已经走得太快了，不能指望单靠良好的工程设计和市场信号就能消除我们的碳排放。在实现将我们的星球向低碳未来过渡所需的系统性变革方面，明智的政策、强有力的公众支持和坚定的政治意愿，将与技术知识同样重要，甚至更为重要。 　　因此，尽管我们能尽*大努力来制定策略，但我们无法提供一个全面的计划来应对气候变化。说到这里，其实已有许多关于这个主题的文字材料，有兴趣的读者可参见附录B扩展阅读。相对而言，本书所讲述的故事则旨在激发具有科学倾向的观众以及具有广泛兴趣的读者关注*新的二氧化碳技术，以及它们如何能与更广泛的碳减排技术策略相衔接。 　　《二氧化碳的故事：小分子，大世界》共七章，从原子尺度到宇宙视角，讲述了二氧化碳的方方面面。与其采用严格的技术观点，本书更乐于将基本的科学概念与经济、工程和技术交织在一起。每一章后面都附有关键要点。第1章“利弊以及与油相关”概述了世界能源经济的演变，强调了我们目前对化石能源的依赖。该章首先介绍了《巴黎协定》，然后深入介绍了当前全球能源结构和预计的全球能源趋势。讨论了各种能源形式和我们当前的能源消耗需求。该章的结论是，尽管可再生能源供应商、技术的市场份额不断增加，但我们日益增长的人口仍严重依赖化石燃料，这意味着这些数字预计在不久的将来还会持续增长。 　　第2章“从太空到地球，从地球到太空”从CO2分子在宇宙大爆炸中的起源以及在太阳系行星大气中的分布开始。然后，我们讨论了CO2在地球生命创造、生物矿化过程和地球自然碳循环中的作用。我们更详细地叙述了四个主要碳储存库之间的碳交换，并讨论了使用碳同位素追踪技术来追踪我们地球上的碳的源头。然后，我们对温室效应进行了详细的解释，并带领读者通过一个简单的数学模型，来预测大气状况的微小改变带来的温度上升。该章*后讨论了大气中不断上升的二氧化碳水平，以及它们已经对我们的气候和健康造成的后果。 　　与前两章形成对比的是，第3章“直面气候变化”讨论了社会、政治和伦理方面的应对策略。它从明确对气候变化采取行动造成阻碍的四种态度开始，进一步详述了收入、生活方式和身份如何帮助塑造我们对环境和气候的看法。该章简要地涵盖了气候正义的话题，以及为有效、公平、公正的解决方案而努力的必要性。 　　第4章“‘顽固’的排放”详细说明了某些工业过程在去碳化方面比其他过程更具挑战性的原因。该章介绍了碳捕集与封存的概念，并以介绍捕获、回收和再利用CO2以实现更快的能源转换的概念为结尾。 　　第5章“对二氧化碳赋能”涵盖了回收CO2的技术挑战，并介绍了以热能、电力或阳光形式的能源如何能帮助将其转化为有用的产品。我们接着讨论了CO2技术的其他关键方面，即氢、水和可再生电力，以及如何以可持续的方式获取这些资源。 　　第6章“一个二氧化碳的世界”使用前几章提供的信息来举例说明二氧化碳的捕集、封存和利用技术，这些技术可能会被整合到我们的产业中。该章涵盖了从肥料生产到混凝土制造再到空气调节等方方面面。 　　*后，第7章“整合全局”阐述了将这些技术推向市场的大局性前提，并分享了未来CO2炼油厂的愿景。该章还提供了一个总结性列表，囊括了可持续生产关键大宗产品所需的重点化学品和材料，以及如何能够避免使用化石资源而获取它们。该章*后提供了一系列实用的方法，令读者也可以出一份力。 　　附录A提供了一份虽不完整但还算详细的现有公司名单，这些公司的产品和工艺均以CO2利用技术为基础。附录B为扩展阅读。在本书的结尾，读者应该能够切实理解二氧化碳转换技术如何为经济、环境和社会提供巨大的利益。 　　一些短文穿插在正文中作为选读，方便更好奇的读者深入研究某些主题。鉴于本书的高度跨学科精神，所有的技术术语都以边框的形式定义在正文相关段落，以帮助读者了解新的“行话”。文中包含了示意图和插图，以丰富读者的阅读体验，并使行文尽可能引人入胜，特别是针对非专业人士。我们为那些希望进一步探索任何观点或参考原始资料的读者提供了引文；书末的参考文献按照**次出现在正文时的顺序被编号。尽管如此，我们仍然认识到，这些章节中所涵盖的一些材料对那些几乎没有科学背景的读者来说可能是非常新的。其实在不影响每一章的关键信息的情况下，大部分技术细节是可以忽略的。因此，虽然我们鼓励读者在学习新材料时挑战自己，但我们完全赞成有选择地阅读这本书，以保证对所有不同教育背景的个人而言都有愉快和满意的体验。 　　作为科学家，我们很高兴分享一些*新的新兴科学，这些科学正在改变CO2的回收能力。我们认为，公众在应对气候变化的有效解决方案方面收到了相互矛盾的信息的情况下，本书的故事对当今的政治和文化氛围至关重要。我们还认为，科学家有责任让更广泛的群体了解新技术的潜在影响。循证决策是我们努力探寻不断变化的能源格局时**可行的指南，而减缓碳排放和气候变化的政治行动的关键发起者，也终将是增进了见识的公众。 　　遵循居里夫人箴言中的精神，我们希望CO2的故事能激发你对非化石燃料CO2分子和它所能提供的一切报以赏识和乐观。