撰文
贾顺涵中国科学院化学研究所
→这是《环球零碳》的第篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
我们离得开化学吗？答案必然是否定的。
化学与我们的衣食住行和国家的稳定发展都息息相关：材料化学为“天宫”空间站的外壳设计提供思路，帮助宇航员抵抗外太空的极端环境；合成化学在新冠肺炎疫苗和特效药的研发中功不可没，为人类早日克服疫情、重回正轨尽心尽力；少了物理化学的支持，北京冬奥赛场的冰面也无法通过超临界二氧化碳技术绿色且高效地冷却……
不言而喻，化学为人类经济社会的发展做出了重大的贡献，并将继续发挥不可替代的作用。
然而，传统化学工业消耗了大量不可再生资源并排放有毒有害物质，对我们赖以生存的地球造成了巨大破坏。面向“碳达峰”和“碳中和”的目标，使传统化学工业脱胎换骨，向着绿色与可持续化转型升级已经成为必然选择[1]。
绿色化学为化学工业走向可持续发展开辟了道路。特别是由清洁新能源驱动的绿色电化学合成异军突起，成为基础研究和产业化探索的热点[2]。什么是绿色化学，电化学又是怎样助力绿色化学反应的呢？这个故事我们从一百多年前南美地区的鸟粪讲起……
01
绿色化学与电化学
1/
从“鸟粪战争”到高效合成氨
在十九世纪，智利、秘鲁和玻利维亚为了争抢当地的海鸟粪大打出手，爆发了一场“鸟粪战争”，堪称南美版本的“三国演义”。原来，这些海鸟粪便中含有丰富的氮元素，是当时人们合成含氮肥料和化学品的重要原料。直到科学家发现氮气和氢气可以在催化剂的促进下反应生成氨气，海鸟们才得到解脱。这个反应为以氨气为原料合成一系化学品奠定了基础，催生出了现代农业，改写了人类社会的发展历史。
然而，现行的合成氨技术需要严苛的高温高压条件，不仅不利于生产安全，也与“双碳”目标相违背。化学家们不禁思考，如何在温和的条件下合成氨呢？目前，科研人员成功实现了以空气中的氮气或废水中的硝酸根为原料，在电解的条件下得到氨，为温和条件下氨的绿色生产提供可能[3]。
2/
从源头消除污染的绿色化学
从“鸟粪战争”不难看出，化学为生产化学品和推动社会进步做出巨大贡献。但是，传统化学过程伴随着资源浪费和环境污染。化学如何在创造物质财富的同时保护人类赖以生存的环境呢？在上世纪90年，绿色化学的概念应运而生。如图1所示，绿色化学以“从源头上消除污染”为目标，通过对产品和生产过程的设计，减少或避免有害原料的使用和有害物质、废弃物的产生。
图说：绿色化学（绿色箭头）与传统化学过程（红色箭头）
图片来源网络
不言而喻，绿色化学资源是绿色化学反应的基础。哪些化学资源更为绿色呢？和传统有毒有害的化学原料相比，水、空气中的氮气和二氧化碳、生物质和塑料废弃物都是极具前景的绿色化学资源。绿色化学资源分子的绿色转化是化学走向可持续发展的必经之路。
3/
电化学——惰性化学键的“剪刀”
然而，化学分子内部通常含有惰性化学键，这些化学键像锁链一样将分子内部的原子紧紧连接在一起，不会任人摆布。化学家们如何“剪开”惰性化学键，实现绿色化学资源的高效转化呢？加热也许是一个选择。就像炒菜时，加热可以促进食材的反应，制作出可口美食。然而，维持高温需要燃烧大量燃料并排放二氧化碳，与“双碳”目标相悖。
图说：绿色电化学合成及其优势
近年来，科学家找到了新的“剪刀”——电化学。电化学使用清洁、可再生的电能驱动化学反应（图2），以其自独特的优势吸引了研究者的
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