本文分析了國(guó)內(nèi)外化工新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)從化工新材料原料供給、新材料生產(chǎn)、產(chǎn)品回收與循環(huán)利用全生命周期（LCA）角度，闡述了可再生原料的匯碳作用，典型新材料（包括高端碳材料、汽車輕量化材料、新能源材料、碳捕集材料）生產(chǎn)的固碳作用，以及廢棄材料回收和循環(huán)利用中的減碳作用。
一、全球新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
新材料是指新近發(fā)展或正在發(fā)展的具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)材料和有特殊性質(zhì)的功能材料，其種類、品種很多，按結(jié)構(gòu)組成劃分，主要包括金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料等。化工新材料是新材料的重要“家族”成員，是化學(xué)工業(yè)中最具發(fā)展活力和發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、電子信息、國(guó)防軍工、航空航天、新能源等諸多領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)所需的關(guān)鍵材料。化工新材料主要包括高性能合成樹脂、特種合成橡膠、高性能合成纖維、特種彈性體、復(fù)合材料、工程塑料、高端碳材料、電子化學(xué)品、降解材料、特種涂料、特種膠黏劑、特種助劑等一系列品種。
由于新材料應(yīng)用領(lǐng)域高端、前瞻，技術(shù)門檻高，附加值高，發(fā)達(dá)國(guó)家最先重視新材料開發(fā)及應(yīng)用。為了搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)，美、日、歐、韓等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均將新材料提升到戰(zhàn)略高度并提前布局，啟動(dòng)100多個(gè)專項(xiàng)計(jì)劃，目前在經(jīng)濟(jì)實(shí)力、核心技術(shù)、研發(fā)能力、市場(chǎng)占有率等方面占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。許多著名的跨國(guó)公司，如巴斯夫、杜邦、拜耳、陶氏化學(xué)、朗盛等，都將新材料作為其發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)營(yíng)創(chuàng)效的重點(diǎn)方向，并對(duì)我國(guó)形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)。總體來說，全球新材料行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，規(guī)模加速增長(zhǎng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率維持在10%以上。全球新材料產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，2015年全球新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模約為18818.1億美元，2017年達(dá)到約23164.7億美元[2]。2018—2020年，許多國(guó)家出臺(tái)推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持政策及規(guī)劃，加上下游電子信息、生物醫(yī)療、汽車工業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快，2020年全球新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模接近3萬億美元，預(yù)計(jì)未來5年全球新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將保持正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2025年增長(zhǎng)到5.65億美元，2026年有望突破6萬億美元，詳見圖1。
圖1 全球新材料行業(yè)產(chǎn)值規(guī)模變化及預(yù)測(cè)
近年來，我國(guó)將新材料產(chǎn)業(yè)作為未來發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，先后出臺(tái)《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》《關(guān)于石化產(chǎn)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)促轉(zhuǎn)型增效益的指導(dǎo)意見》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《化工新材料“十四五”規(guī)劃指南》等若干政策文件予以扶持。在政策指引下，我國(guó)新材料行業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁，2020年新材料總產(chǎn)值達(dá)到約6.0萬億元，預(yù)計(jì)到2025年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到10萬億元，并保持年均增長(zhǎng)20%[4]。然而，目前我國(guó)僅是材料大國(guó)而非材料強(qiáng)國(guó)，新材料屬于我國(guó)對(duì)外依存度極高的八類產(chǎn)業(yè)之一，特別是高端化工新材料和化工高端裝備及尖端技術(shù)嚴(yán)重依賴進(jìn)口。據(jù)工業(yè)與信息化部統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)大型企業(yè)所需的130多種關(guān)鍵材料中，32%的材料我國(guó)處于空白、完全無法生產(chǎn)，54%的材料國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)但質(zhì)量較差，僅有14%國(guó)內(nèi)可以完全自給。近10年我國(guó)新材料行業(yè)總產(chǎn)值變化及2025年預(yù)測(cè)見圖2。
圖2 近10年我國(guó)新材料行業(yè)總產(chǎn)值變化及2025年預(yù)測(cè)
根據(jù)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)（簡(jiǎn)稱石化聯(lián)合會(huì)）數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)化工新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模約6000億元，市場(chǎng)總消費(fèi)規(guī)模9000億元，進(jìn)口額約3000億元，約占化工產(chǎn)品總進(jìn)口額的25%；消費(fèi)量約3488萬噸，自給率為70.6%，其中，自給率最低的為高端聚烯烴，僅有45.3%，工程塑料和電子化學(xué)品自給率均為60%，高性能合成橡膠和高性能膜材料均為66.7%；預(yù)計(jì)“十四五”期間我國(guó)化工新材料消費(fèi)量將從2020年的3771萬噸增加到2025年的5717萬噸，年均增速8.6%。2021年5月石化聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《石油和化學(xué)工業(yè)“十四五”發(fā)展指南》強(qiáng)調(diào)要加快化工新材料的發(fā)展，提出“十四五”末期化工新材料的自給率要達(dá)到75%，占化工行業(yè)整體比重超過10%。
隨著未來消費(fèi)端對(duì)石油產(chǎn)品需求產(chǎn)生的根本性變革，我國(guó)煉化行業(yè)進(jìn)入深刻調(diào)整期，煉油化工領(lǐng)域面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色低碳發(fā)展的緊迫任務(wù)。由于目前國(guó)內(nèi)油品需求進(jìn)入平臺(tái)期并在2025年前后達(dá)峰，“十四五”期間需要將煉油能力控制在10億噸/年以內(nèi)。在減油增化和“雙碳”目標(biāo)等多重因素疊加的背景下，煉化轉(zhuǎn)型升級(jí)的技術(shù)需求更加迫切。同時(shí)，新基建、新一代信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高端石化產(chǎn)品和高性能材料提出更高要求，市場(chǎng)需求也更加旺盛。總體而言，化工新材料既是目前石化產(chǎn)業(yè)的短板之一，也是未來石化行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向。隨著“雙碳”目標(biāo)的啟動(dòng)，全球化工新材料進(jìn)入新的發(fā)展階段，我國(guó)化工新材料產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的歷史機(jī)遇期。
二、化工新材料在低碳發(fā)展中的作用
從化工新材料的全生命周期分析，在材料的原料供應(yīng)環(huán)節(jié)，可以采用生物質(zhì)、綠氫等可再生低碳原料以及直接以CO2為原料生產(chǎn)化工新材料，從而實(shí)現(xiàn)匯碳；在材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以通過各種不同生產(chǎn)工藝路線過程將原料中的碳轉(zhuǎn)移到新材料產(chǎn)品中，從而實(shí)現(xiàn)固碳；在材料的使用消費(fèi)環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)廢棄材料的回收與循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)減碳。
2.1可再生原料的匯碳作用
2.1.1采用生物質(zhì)原料生產(chǎn)新材料
根據(jù)2015年12月12日巴黎氣候變化大會(huì)發(fā)布的《巴黎協(xié)定》，要確保全球平均氣溫上升幅度較工業(yè)革命前低2℃，并盡量將其控制在1.5℃以內(nèi)；而要實(shí)現(xiàn)1.5℃的目標(biāo)，未來全球60%的石油儲(chǔ)量、90%以上的煤炭?jī)?chǔ)量應(yīng)“留在地下”，為此只有大幅削減化石能源的產(chǎn)量和用量，未來生物基替代化石基產(chǎn)品將成為大勢(shì)所趨。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，主要包括農(nóng)林業(yè)廢棄物、城市生活垃圾等。根據(jù)中投產(chǎn)業(yè)研究院研究結(jié)果顯示，我國(guó)每年可利用的生物質(zhì)資源中農(nóng)業(yè)廢棄物約4億噸，林業(yè)廢棄物約3.5億噸。生物質(zhì)原料主要來源于太陽能和植物的光合作用，是吸收自然界CO2、實(shí)現(xiàn)碳匯的最佳途徑。在植物的生長(zhǎng)過程中，通過光合作用，每年可將2000億噸的CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，因此生物質(zhì)材料的CO2排放量低，僅為石化基塑料的20%，屬于典型的低碳材料。
生物基產(chǎn)品生產(chǎn)和使用過程中均能大幅削減碳排放，隨著生物基產(chǎn)品占比逐步提高，減排優(yōu)勢(shì)將更加顯著。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的研究結(jié)果，如果用生物基產(chǎn)品來替代石油化工品，從乙酸到己內(nèi)酰胺，1t產(chǎn)品可減少1.2～5.2t的CO2排放，以乙烯和己內(nèi)酰胺為例，1t生物基乙烯可減少CO2排放2.5t，1t生物基己內(nèi)酰胺可減少CO2排放多達(dá)5.2t，詳見圖3。
圖3 生物基化工品對(duì)CO2的減排效果
目前，生物質(zhì)原料主要用于能源、生態(tài)農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)、綠色建材、儲(chǔ)能碳材料等領(lǐng)域。在能源方面，生物柴油、生物乙醇、生物航空燃料等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，其碳減排功效得到普遍認(rèn)可；在生態(tài)農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)方面，如生物質(zhì)可降解地膜、生物炭直接還田等技術(shù)已經(jīng)接近實(shí)用化，正在小規(guī)模推廣；在綠色建材方面，木塑復(fù)合材料、秸稈復(fù)合墻板、新型纖維板等生物基新材料已經(jīng)發(fā)展成熟；在儲(chǔ)能碳材料方面，利用生物質(zhì)材料制備碳材料，用作電池石墨電極的替代品，提升鋰離子電池的儲(chǔ)能性能。生物質(zhì)將是今后生產(chǎn)化工新材料的主要原料來源之一，隨著生物質(zhì)氣化、催化裂解、發(fā)酵、生物煉制等高值化轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的進(jìn)步，目前以化石原料生產(chǎn)的高端合成樹脂、特種合成橡膠、合成纖維、先進(jìn)工程材料、可降解材料，將來都可以通過生物質(zhì)原料路線來生產(chǎn)。以生物基纖維為例，當(dāng)前最有市場(chǎng)應(yīng)用潛力的生物基纖維材料包括纖維素聚合物、生物基聚酯類[聚乳酸（PLA）、聚β-羥基丁酸酯（PHB）、聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等]、生物基聚酰胺類（PA11、PA6、PA66、PA69、PA610）、生物基聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、生物基熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）以及淀粉基聚合物等。
目前，全球生物基材料產(chǎn)能已達(dá)3000萬噸/年以上，年均增速超過20%。由于各國(guó)生物質(zhì)利用產(chǎn)業(yè)政策的驅(qū)動(dòng)，生物基材料的應(yīng)用范圍不斷拓展，正在加快從醫(yī)用材料和高端功能性材料應(yīng)用領(lǐng)域向大宗工業(yè)產(chǎn)品和生活消費(fèi)品應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，在農(nóng)用地膜、日用塑料制品、化纖服裝等方面逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。美國(guó)農(nóng)業(yè)部于2016年發(fā)布報(bào)告稱，到2025年，生物基化學(xué)品將占全球化學(xué)品22%的市場(chǎng)份額，其年度產(chǎn)值將超過5000億美元。據(jù)“2019國(guó)際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇”預(yù)測(cè)，我國(guó)生物基材料行業(yè)保持20%左右的年均增長(zhǎng)速度，總產(chǎn)量已超過600萬噸/年，正值發(fā)展的上升期。我國(guó)的生物基材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域初步形成了產(chǎn)業(yè)集群。目前在生物基材料與制品中，生物基塑料發(fā)展最快，主要包括可降解生物基塑料，如PLA、聚羥基烷酸酯（PHA）、聚乙烯醇（PVA）、二元酸二醇共聚酯、二氧化碳共聚物（PPC）等；非生物降解生物基塑料，如生物聚乙烯（BPE）、聚酰胺（PA）等；此外還有生物基再生纖維，包括生物基合成纖維、海洋生物基纖維、生物蛋白質(zhì)纖維以及新型纖維素纖維等新材料。
在諸多的生物基化學(xué)品中，2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、異山梨糖醇等生物基平臺(tái)化學(xué)品備受關(guān)注。FDCA由羥甲基糠醛、二甘醇酸、康酸和己糖二酸等不同生物基原料合成，可以作為二元羧酸對(duì)苯二甲酸（PTA）的替代品，其與乙二醇聚合而成的2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF），不僅具有符合產(chǎn)品降解周期要求的生物可降解性能，也具有比石化基聚酯PET更為優(yōu)異的力學(xué)性能和對(duì)CO2和O2的阻隔性能，在包裝材料等領(lǐng)域用途廣泛。與PTA相比，F(xiàn)DCA可減少45%～55%的CO2排放。中國(guó)是PET聚酯生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，發(fā)展PEF共聚酯有利于推動(dòng)我國(guó)聚酯行業(yè)的碳減排和轉(zhuǎn)型升級(jí)。從葡萄糖脫水后獲得的異山梨醇是雙酚A的理想替代品，雙酚A可用來合成聚碳酸酯（PC）、環(huán)氧樹脂、聚砜樹脂、聚苯醚樹脂、不飽和聚酯樹脂等多種高分子材料以及增塑劑、阻燃劑、抗氧劑等多種精細(xì)化工產(chǎn)品，但雙酚A屬于低毒性化學(xué)物，其應(yīng)用一直存在爭(zhēng)議。開發(fā)異山梨醇及其下游生物基聚酯衍生物產(chǎn)品，不僅有利于促進(jìn)聚酯和諸多精細(xì)化學(xué)品原料的可持續(xù)發(fā)展，也有利于從產(chǎn)業(yè)鏈的源頭減少CO2排放。
2.1.2以CO2為原料生產(chǎn)新材料
（1）CO2熱化學(xué)轉(zhuǎn)化CO2作為主要的溫室氣體，也屬于可再生碳一資源，如何將CO2化學(xué)轉(zhuǎn)化為高附加值的能源材料及化工產(chǎn)品是行業(yè)的研究熱點(diǎn)。多年來，CO2主要用于生產(chǎn)尿素，在其他諸如碳酸飲料、食品冷藏、焊接、金屬加工等CO2綜合利用途徑中，并未直接消耗和減排CO2，因此研究如何以CO2為原料生產(chǎn)相關(guān)精細(xì)化工產(chǎn)品或化工新材料十分必要。目前，CO2主要的化工利用途徑包括合成甲醇、乙醇、聚碳酸酯、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙酸、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、丙烯酸酯、長(zhǎng)鏈二元酸等，以及CO2與甲烷干重整制備合成氣。
在上述CO2利用路線中，合成甲醇需要?dú)錃獾膮⑴c，采用源自可再生電力電解水制取的“綠氫”為原料，成為環(huán)境更加友好的合成甲醇新途徑，受到行業(yè)普遍重視并已進(jìn)入示范階段；CO2與環(huán)氧乙烷共聚可以合成碳酸乙烯酯，CO2與環(huán)氧丙烷共聚可以合成碳酸丙烯酯，碳酸乙（丙）烯酯可生產(chǎn)聚碳酸亞丙酯多元醇（生產(chǎn)聚氨酯的原料）、聚碳酸亞丙酯基水性聚氨酯、CO2基阻燃保溫材料、全生物降解材料、高分子共聚生物材料；碳酸二甲酯可與苯酚反應(yīng)合成碳酸二苯酯（DPC）、DPC再與雙酚A縮聚為聚碳酸酯工程材料、烯丙基二甘醇碳酸酯（ADC）樹脂材料、異氰酸酯（TDI、MDI、HDI），而異氰酸酯是非光氣法生產(chǎn)聚氨酯材料的重要原料。長(zhǎng)鏈二元酸（含有10個(gè)或以上碳原子的直碳鏈芳香族飽和二元羧酸）是生產(chǎn)高性能工程塑料、高檔尼龍等的重要原料，以丁二烯和CO2為原料合成長(zhǎng)鏈二元酸是一種全新的高檔尼龍?jiān)瞎に嚶肪€。綜合分析，將CO2與化學(xué)性質(zhì)活潑的環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等進(jìn)行反應(yīng)制備聚碳酸酯以及可降解塑料等新材料，可望成為未來CO2應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。
（2）CO2電化學(xué)還原目前，CO2的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)主要包括熱化學(xué)還原法、光化學(xué)還原法、光電催化還原法以及電化學(xué)還原法等。其中，前述利用CO2合成甲醇、乙醇、乙酸、碳酸二甲酯等均屬于熱化學(xué)還原法，主要是催化加氫反應(yīng)，技術(shù)成熟，但也存在反應(yīng)溫度高、部分副產(chǎn)物分離技術(shù)難度大、催化劑活性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高等不足。光化學(xué)還原法和光電催化還原法反應(yīng)條件溫和、具有節(jié)能、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但存在太陽能利用率、轉(zhuǎn)化效率較低等缺點(diǎn)。電化學(xué)還原法采用電化學(xué)反應(yīng)裝置，可在水溶劑或非水溶劑中使CO2轉(zhuǎn)化為CO、烴類、醇類、酯類、羧酸類等新產(chǎn)物，具體還原產(chǎn)物取決于反應(yīng)過程中的電子數(shù)目。相較之下，電化學(xué)還原技術(shù)由于反應(yīng)條件溫和、使用清潔能源、催化效率高、可合成多種含碳化合物以及能夠通過控制電解條件調(diào)控目標(biāo)產(chǎn)物等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。
CO2的電催化還原可以在低運(yùn)行溫度下以簡(jiǎn)單的方法獲得碳?xì)浠衔锖秃趸衔铮且环N很有吸引力的降低碳排放的方案。研究表明，通過選擇高活性電催化材料、增加CO2壓力或采用高效電化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)型（例如使用氣體擴(kuò)散電極GDE）等措施可以提高電化學(xué)還原效率。電化學(xué)還原技術(shù)的研究主要集中于催化劑方面。目前研究的電化學(xué)還原催化劑（金屬和非金屬活性組分）存在價(jià)格高、活性和穩(wěn)定性低等問題，因此開發(fā)價(jià)格低廉、選擇性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的催化劑是今后的研究重點(diǎn)。天然來源的生物材料分布廣泛、易于獲取，高溫?zé)峤夂罂芍苽浣Y(jié)構(gòu)多元、活性高的生物碳基材料，而以生物質(zhì)基為前驅(qū)體制備的碳基材料作為CO2電化學(xué)還原反應(yīng)的催化劑，其電子傳導(dǎo)性、氧化還原性等電化學(xué)性能優(yōu)良，是近年來電化學(xué)還原CO2催化劑發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。此外，CO2還可用于新型電化學(xué)電池Al-CO2電池和Na-CO2電池的電極材料[19-20]。天津理工大學(xué)以Al箔為陽極、以離子液體為電解質(zhì)、以完全非碳的Pd包覆納米多孔金（NPG@Pd）為一體化催化劑陰極的可再充Al-CO2電池，其陰極采用純CO2作為活性材料，電池放電時(shí)CO2在正極被還原、與鋁離子形成Al2(CO3)3和C，并在充電時(shí)分解，實(shí)現(xiàn)了CO2的可逆利用，其能量效率高達(dá)87.7％。這項(xiàng)研究為開發(fā)用于固定CO2的高效、高安全性、綠色和可再充電的儲(chǔ)能裝置提供了技術(shù)基礎(chǔ)[20]。在Na-CO2電池中，理論上CO2與Na+的電化學(xué)反應(yīng)能提供1.13kWh/kg的高能量密度，電池使用的Na在豐度上比Li元素高3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。Na-CO2電池可用于汽車尾氣處理，汽車尾氣中釋放的CO2可用于Na-CO2電池發(fā)電，以延長(zhǎng)混動(dòng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。
2.2 新材料的固碳作用
從石油加工轉(zhuǎn)化生產(chǎn)化工新材料的全過程分析，無論是合成樹脂、合成橡膠、合成纖維三大合成材料的高端化，還是生產(chǎn)先進(jìn)工程材料、可生物降解材料，均要經(jīng)過煉油過程首先生產(chǎn)石腦油、輕柴油等乙烯裂解原料，再經(jīng)過蒸汽裂解裝置生產(chǎn)“三烯三苯”等基礎(chǔ)有機(jī)原料，最后采用基礎(chǔ)原料單體合成下游高端聚合物材料。其中，幾種重要的代表性材料如高端碳材料、汽車輕量化材料、光伏材料、碳捕集材料，或其材料本身、或其應(yīng)用效果都有顯著的固碳作用，突出體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高碳、使用后減碳甚至零碳的目標(biāo)。
2.2.1高端碳材料
碳材料通常指材料組成以碳元素為主體的材料，其種類很多，主要有碳纖維、中間相碳微球、天然石墨、玻璃碳、碳碳復(fù)合材料、硬碳、多孔活性炭、高取向石墨、炭黑、金剛石、碳納米管、富勒烯以及石墨烯等，其中碳纖維、碳納米管、富勒烯以及石墨烯等均為高端化碳材料。碳材料主要以煤炭、石油、天然氣生產(chǎn)，也可以用生物質(zhì)原料生產(chǎn)。由于碳材料的成分主要是碳元素，在化石原料的轉(zhuǎn)化過程中有相當(dāng)一部分碳轉(zhuǎn)移至碳材料中，有助于解決化石原料中碳的去向問題，支撐全產(chǎn)業(yè)鏈降低碳排放。
石油瀝青作為石油加工過程產(chǎn)生的一種大宗化學(xué)品，主要用作道路瀝青和建筑瀝青等，用途廣泛但工業(yè)附加值較低。隨著公路等級(jí)的不斷提高，對(duì)于道路用瀝青的等級(jí)要求也逐步提高，總體發(fā)展趨勢(shì)從普通道路瀝青、重交通道路瀝青，再到改性瀝青。改性瀝青作為一種高等級(jí)道路瀝青，是在基質(zhì)瀝青中添加橡膠、樹脂、高分子聚合物、天然瀝青、磨細(xì)橡膠粉等添加劑，從而提高瀝青產(chǎn)品性能，其固碳量可達(dá)85%左右。中間相瀝青是制備瀝青碳纖維、碳微球、泡沫碳、針狀焦等高端炭石墨材料的優(yōu)質(zhì)前驅(qū)體，其固碳量可以達(dá)到95%～98%，以其為原料制備的瀝青碳纖維具有高模量和高導(dǎo)熱的優(yōu)勢(shì)，在航天航空、尖端工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
石油焦作為渣油經(jīng)延遲焦化工藝生成的產(chǎn)物，其固碳量在90%左右。部分品質(zhì)較好的石油焦經(jīng)過煅燒后用作煉鋁廠預(yù)備陽極、金屬硅、碳化硅、石墨電極原料，進(jìn)一步作為原鋁電解或鋼鐵冶煉中的間接材料，高硫、低密度石油焦則直接作為煉廠循環(huán)流化床（CFB）鍋爐、電廠、水泥廠、玻璃廠的燃料使用。事實(shí)上，石油焦作為優(yōu)質(zhì)而廉價(jià)的碳源可用于很多高附加值新材料的制備,目前已經(jīng)在包括納米碳化物材料、先進(jìn)復(fù)合材料、智能材料和電池負(fù)極材料等在內(nèi)的新材料領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是針狀焦可作為生產(chǎn)高功率和超高功率電極的優(yōu)質(zhì)材料，同時(shí)在鋰離子電池、電化學(xué)電容器等方面也有廣泛應(yīng)用，近年來隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)針狀焦需求增長(zhǎng)較快，國(guó)產(chǎn)針狀焦供不應(yīng)求。
鋰電池負(fù)極材料主要分為碳系和非碳系負(fù)極材料兩大類，碳系材料包括石墨、硬碳、軟碳和石墨烯等負(fù)極材料，其固碳量大于99.5%。石墨負(fù)極材料又可進(jìn)一步分為天然石墨、人造石墨（針狀焦、石油焦）、復(fù)合石墨和中間相碳微球，以天然石墨和人造石墨的應(yīng)用最為廣泛。非碳系材料分為硅基、鈦酸鋰和其他非碳材料。目前負(fù)極材料已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到以天然石墨、人造石墨為主，中間相碳微球、軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負(fù)極材料共存的局面。
從石油瀝青到碳材料一般需要經(jīng)過熱縮聚、生成碳基前驅(qū)體、高溫石墨化３個(gè)反應(yīng)階段，碳質(zhì)中間相作為重質(zhì)芳烴類物質(zhì)經(jīng)過熱處理后生成的前驅(qū)體中間產(chǎn)物，已在中間相碳微球、中間相瀝青基碳纖維、碳模壓體黏結(jié)劑、針狀焦、活性炭制備方面取得較好的工業(yè)應(yīng)用效果，特別是將石油瀝青轉(zhuǎn)化為高性能碳材料，在鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等二次電池和超級(jí)電容器電極材料以及電催化領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
2.2.2車用輕量化材料
使用輕量化材料是汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降低排放、提高汽車動(dòng)力性的重要途徑，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究，汽車的每百千米油耗（y）與汽車自重（x）的函數(shù)系為：y=0.003x+3.3434，按此式計(jì)算，一般汽車自重減輕10%，可節(jié)約油品6%～8%，意味著減少相同比例的CO2排放量[23]。汽車輕量化常用材料一般包括高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、合成樹脂復(fù)合材料、工程塑料、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等。隨著對(duì)合成樹脂及其復(fù)合材料等的研發(fā)，“以塑代鋼”已成為汽車材料實(shí)現(xiàn)輕量化發(fā)展的主要方向，塑料等輕量化材質(zhì)在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)從結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到整車的內(nèi)外飾件。車用塑料及樹脂基材料的發(fā)展主要是采用新型高強(qiáng)度、低密度輕質(zhì)材料和輕質(zhì)零件取代傳統(tǒng)鋼鐵零部件,同時(shí)采用新的成形工藝實(shí)現(xiàn)零件及車身部件本身結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和輕型化。
汽車輕量化中應(yīng)用的化工材料主要是高端合成樹脂、工程材料及復(fù)合材料，合成樹脂如聚乙烯、聚丙烯，工程材料如尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等，復(fù)合材料以樹脂基纖維增強(qiáng)材料為主，如碳纖維類的高性能纖維、環(huán)氧樹脂類的熱固性樹脂材料。此類材料在汽車輕量化領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在材料的技術(shù)含量高、功能性強(qiáng)、性能優(yōu)異、質(zhì)量和體積輕薄，其應(yīng)用已經(jīng)涉及到汽車動(dòng)力系統(tǒng)零部件、車窗零部件、內(nèi)飾與外飾件以及車身整個(gè)汽車實(shí)體，尤其是在汽車輕量化中應(yīng)用比較普遍的合成樹脂材料，目前已經(jīng)在整車中40多個(gè)部位實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。由于車用塑料品種繁多，多種塑料品種的使用給汽車材料的回收再利用造成了巨大困難，因此除了要求材料輕量化之外，也要求使用的材料品種盡可能均一化，即使用品種盡可能少的塑料材料，使得材料在使用后便于回收利用。目前使用的均一化車用塑料主要是聚丙烯合金材料，不但可以取代多品種烯烴聚合物，還可以替代包括丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物（ABS）和聚氯乙烯（PVC）在內(nèi)的多個(gè)高分子材料品種，是集約化應(yīng)用聚丙烯材料的優(yōu)良基礎(chǔ)樹脂材料。
圖4 我國(guó)車用塑料消費(fèi)量變化及預(yù)測(cè)
2019年1月，北京石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院發(fā)布“中國(guó)車用塑料量分析及預(yù)測(cè)”數(shù)據(jù)，如圖4所示，2017年我國(guó)車用塑料總消費(fèi)量為317.8萬噸，2020年為360萬噸左右，預(yù)計(jì)2025年總消費(fèi)量達(dá)到478萬噸。從圖4可知，我國(guó)汽車輕量化中的化工材料用量相對(duì)較大，其中聚丙烯用量最大，2017年聚丙烯用量為190萬噸，2020年約210萬噸，2025年有望達(dá)到280萬噸，聚乙烯、ABS、尼龍、聚碳酸酯的消費(fèi)量相差不大，聚甲醛（POM）樹脂、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）聚酯用量較少。整體上，我國(guó)車用塑料消費(fèi)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，這類材料在“以塑代鋼”、實(shí)現(xiàn)車體輕量化、降低油耗、減少CO2排放方面作用突出，是汽車材料領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。
2.2.3新能源材料
（1）光伏材料光伏材料是指能將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料，太陽能電池板包括光伏玻璃、EVA（乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物）、太陽能電池片、EVA和背板共5層材料，如圖5所示[26]。其中，電池片用單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等半導(dǎo)體材料。EVA作為封裝電池片的熱熔膠黏劑，能將電池片與鋼化玻璃以及背板牢固地粘接在一起，防止外界環(huán)境對(duì)電池片的電性能造成影響，同時(shí)可增強(qiáng)光伏組件的透光性，有利于提高光伏組件的電性能輸出。光伏裝置背板材料通常為聚氟乙烯復(fù)合膜材料（TPT），具有良好的絕緣性、阻水性、耐老化性，對(duì)電池片起保護(hù)和支撐作用。TPT通常有3層結(jié)構(gòu)（PVF/PET/PVF），外層保護(hù)層聚氟乙烯（PVF）具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，中間層聚酯（PET）薄膜具有良好的絕緣性能，內(nèi)層PVF經(jīng)過表面處理后與EVA具有良好的黏接性能。
2020年我國(guó)EVA樹脂消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，光伏料占比38%、發(fā)泡料30%、電纜料17%、熱熔膠6%、涂覆料5%、其他4%。隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，光伏料消費(fèi)量保持快速增長(zhǎng)。2020年消費(fèi)量約為63萬噸，預(yù)計(jì)到2025年新增需求176萬噸左右[27]。從供應(yīng)面看，EVA光伏料生產(chǎn)壁壘高、擴(kuò)產(chǎn)周期長(zhǎng)、轉(zhuǎn)產(chǎn)限制多，國(guó)內(nèi)具備EVA光伏料量產(chǎn)能力的廠家僅有斯?fàn)柊睢⒙?lián)泓新科和寧波臺(tái)塑3家，累計(jì)產(chǎn)能不足40萬噸/年。其中，斯?fàn)柊瞵F(xiàn)有EVA產(chǎn)能30萬噸/年、光伏料產(chǎn)能20萬噸/年，位居國(guó)內(nèi)首位。在未來預(yù)期供需緊張背景下，EVA行業(yè)仍將保持較高景氣度。
（2）風(fēng)電材料風(fēng)電產(chǎn)業(yè)上游材料主要有塔筒、風(fēng)機(jī)、機(jī)艙罩、主軸、電纜以及葉片，其中風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵核心部件之一，其成本占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總成本20%~30%。從風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)來看，主要由增強(qiáng)材料（梁）、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結(jié)構(gòu)膠組成，見圖6。葉片的80%成本來自于原材料，而60%的原材料成本來自于增強(qiáng)纖維與基體樹脂。
在風(fēng)電葉片的材料用量構(gòu)成中，基體材料占比36%、增強(qiáng)纖維28%、芯材12%、黏接膠11%、金屬和涂層材料各4%、其余輔助材料5%。常用的基體材料包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等，近年來聚氨酯也逐漸被應(yīng)用到基體材料領(lǐng)域。增強(qiáng)材料主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）。風(fēng)電葉片傳統(tǒng)以GFRP為主材制造，但其密度大于碳纖維，同時(shí)力學(xué)性能尤其是模量遠(yuǎn)低于碳纖維復(fù)合材料，為確保風(fēng)電設(shè)施的安全性，需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)高模的碳纖維復(fù)合材料制造葉片。涂層是為了保證葉片長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)而使用的防護(hù)材料，主要有聚氨酯、氟聚合物以及聚丙酸酯三類，其中聚氨酯因具有較強(qiáng)的附著力和耐油耐磨性而被廣泛使用。夾芯材料主要采用PVC泡沫，此外PMI泡沫、SAN泡沫、輕木以及天然纖維（竹纖維）也可被用作夾芯材料。據(jù)中國(guó)復(fù)合材料協(xié)會(huì)測(cè)算，2020年全球風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維需求達(dá)到3.13萬噸，隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笤鲩L(zhǎng)，到2025年風(fēng)電碳纖維需求量將達(dá)到9.73萬噸，增長(zhǎng)率達(dá)到210.8%。
2.2.4碳捕集材料
在“雙碳”目標(biāo)下，將CO2從燃料氣或煙氣中進(jìn)行捕集的工藝技術(shù)及捕集材料的開發(fā)是行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)。從煙道氣中捕集CO2的方式主要有吸收法、膜分離法、低溫冷凝法和固體吸附法，其中使用固體吸附劑吸附CO2具有吸附溫度范圍寬（室溫~700℃）、吸附量大、回收率高、材料穩(wěn)定性好和吸附過程成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣泛和成熟的捕集火電廠排放CO2的技術(shù)。目前的吸附材料主要有碳基材料（包括活性炭、碳分子篩、碳納米管和石墨烯）、沸石、金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）、金屬氧化物及其鹽、類水滑石類吸附材料以及負(fù)載胺基材料。
在諸多的吸附材料中，碳基吸附材料易于合成和再生，原料來源豐富穩(wěn)定、實(shí)用高效，但由于材料的弱范德華力使其吸附能力對(duì)溫度比較敏感，適宜在低于60℃下使用。沸石材料比表面積大、吸附穩(wěn)定，但是吸附溫度也容易影響其吸附能力，當(dāng)溫度超過100℃時(shí)其對(duì)CO2的吸附能力就會(huì)降低。MOFs是一種新型的具有晶體結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有很高的比表面積和孔隙率，有序的孔道結(jié)構(gòu)和易調(diào)的化學(xué)性質(zhì)使其在CO2捕獲上表現(xiàn)出良好的吸附性能，但由于制備條件要求較高，未能廣泛應(yīng)用。通常，碳基材料、沸石和MOFs材料的最佳CO2吸附溫度低于實(shí)際煙氣溫度，為此實(shí)際應(yīng)用過程中需要對(duì)煙道氣進(jìn)行冷卻或?qū)ξ絼┻M(jìn)行改性，以確保這些吸附劑適用于高溫吸附。
2.3 廢棄材料回收和循環(huán)利用中的減碳作用
2.3.1廢棄材料的化學(xué)回收技術(shù)
廢棄材料的回收和循環(huán)利用是節(jié)約資源、減少排放的重要途徑。以廢塑料為例，其回收再生的路徑包括物理方法和化學(xué)方法兩種。物理方法適合處理高價(jià)值、品類單一、較為干凈的廢塑料，回收的產(chǎn)物較難達(dá)到食品和醫(yī)藥等高價(jià)值應(yīng)用領(lǐng)域要求。化學(xué)方法可以處理低價(jià)值、混合、受污染的廢塑料，包括廢塑料化學(xué)回收、化學(xué)循環(huán)兩種路線，其中化學(xué)回收是將塑料廢棄物經(jīng)過一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化，生成油、氣、焦炭、單體等中間化學(xué)品的過程，而化學(xué)循環(huán)是將塑料廢棄物經(jīng)過一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化，重新生成與石油基塑料同等品質(zhì)的新塑料的過程。總體上，化學(xué)回收主要處理物理回收無法回收、回收效益較低或經(jīng)物理回收后降級(jí)至無法再回收的廢塑料，其本質(zhì)是通過技術(shù)進(jìn)步將原來無法回收的廢塑料中的價(jià)值提取出來，因此化學(xué)回收與物理回收不是替代關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系。
化學(xué)回收法有多種技術(shù)路線，技術(shù)的選擇根據(jù)塑料種類而定。熱塑性塑料根據(jù)聚合反應(yīng)不同，分為加聚類塑料和縮聚類塑料，加聚類塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，縮聚類塑料包括PET、PA、PC、PU、PMMA等。對(duì)于加聚類塑料，通常使用裂解法進(jìn)行回收，該法可將塑料分解成小分子化合物或單體，主要有熱裂解和催化裂解兩個(gè)方向，具體又包括氣化裂解法、微波裂解法、加熱裂解法、共混裂解法、超臨界水法、加氫裂解法、催化裂解法等；對(duì)于縮聚類塑料，則使用解聚法進(jìn)行回收，在酸、堿、水、醇、催化劑等條件下，使塑料由高分子縮聚物降解成低聚物和/或單體。解聚法通常要使用溶劑，根據(jù)溶劑性質(zhì)的不同，又可分為水解法、醇解法以及其他溶劑解法等。
2.3.2廢塑料化學(xué)回收的減碳效果
廢塑料化學(xué)回收的減碳效果十分明顯，可代替焚燒法處理塑料廢棄物，將碳固化在產(chǎn)品中，而不是釋放到大氣中，從而大幅減少碳排放。BASF、SABIC等著名化工公司及一些化學(xué)回收企業(yè)的研究結(jié)果表明，廢塑料化學(xué)回收相對(duì)于焚燒處置塑料廢棄物可減少碳排放50%左右，即處置1噸廢塑料可減少碳排放2噸以上，用化學(xué)回收處理中國(guó)(3000～4000)萬噸/年低值廢塑料，每年將減少CO2排放(6000～8000)萬噸。若將廢塑料轉(zhuǎn)化為燃料，其中的碳原子最終仍會(huì)排放到大氣中，因此從碳足跡角度分析，化學(xué)回收的技術(shù)發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)是更大程度地將廢塑料轉(zhuǎn)換成材料（如新塑料）而非燃料，同時(shí)技術(shù)進(jìn)步帶來能耗進(jìn)一步下降，減碳效果也將更加顯著。
近年來，隨著環(huán)保法規(guī)的趨嚴(yán)和城鎮(zhèn)生活垃圾分類工作的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)廢塑料回收數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。截止到2020年底，全國(guó)塑料報(bào)廢量達(dá)到7410萬噸，回收再利用只占30%、填埋32%、焚燒31%、遺棄7%[33]。由于目前我國(guó)廢塑料回收仍以散戶回收為主，回收體系仍不完善，回收利用率偏低。隨著我國(guó)垃圾分類體系、無廢城市、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、垃圾資源化目標(biāo)等政策的持續(xù)推進(jìn)，塑料垃圾逐漸可以更低成本從垃圾中分離出來，化學(xué)回收將成為塑料垃圾減量化、無害化、資源化的有效解決方案。預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)，正處在投資風(fēng)口的廢塑料化學(xué)回收項(xiàng)目將催生千億級(jí)別產(chǎn)業(yè)規(guī)模的新市場(chǎng)，在推動(dòng)塑料污染治理、資源循環(huán)利用和節(jié)能減排等方面發(fā)揮積極作用。(作者：何盛寶，黃格省)
