二氧化碳轉化製高附加值產品研發進展分析

8月7日，美國國家科學院（yuàn）、工程院與醫學院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）發布《碳利用基（jī）礎設施、市場（chǎng）與研發》報告介紹（shào）了多種（zhǒng）二氧化碳轉化利用方式，梳理了（le）二氧化碳通過礦化（huà）、生物轉化、化學轉（zhuǎn）化等過程製成燃料、無機碳酸鹽、固體碳材料等高（gāo）附加值碳基產品的現狀、挑（tiāo）戰和研發（fā）需求，指出在未來的（de）淨零排放經濟中，二氧（yǎng）化碳轉化利用將發揮重要作用^[1]。礦化是將二氧化碳經過（guò）物理或化學手段轉化成穩定的礦物質或者化合物，分為原位（wèi）礦化和非原位礦（kuàng）化，產品（pǐn）多用於建（jiàn）築行（háng）業；生物轉化是指利用生物過程或生物方（fāng）法（fǎ）將二氧化（huà）碳轉化為其他碳基化合物；化學轉化則是通過電催化（huà）、光催化等（děng）促進二氧化碳還原合成碳基產品。本文梳理了2023年以（yǐ）來二氧化碳轉化製高附加值產品的研究進展，以期為二氧化碳轉化利用提供參考。

一、二氧化碳轉化製燃料

二氧化碳轉化製燃料應用前景良好（hǎo），近兩年圍繞光催化轉化、生物轉化和化學轉化等方法取得多項突破。

（1）在室溫下將二氧化碳轉化（huà）為液體燃料。美（měi）國布魯克海文國家實驗室（shì）和北卡（kǎ）羅來納大學教堂山分校（xiào）的（de）研究（jiū）團隊在（zài）25℃室溫、常壓下使用可回收、價格低廉、性質（zhì）易控的二氫苯並咪唑（zuò）作為催化劑，采用（yòng）一氧化（huà）碳和二（èr）氧化碳級聯（lián）反應策（cè）略，催化生產（chǎn）甲醇^[2]。整個反應過程由太陽能驅動，先通過二氧化碳光化（huà）學還原反應生（shēng）成一氧化碳，再利（lì）用二氫苯並咪（mī）唑進行（háng）氫化物轉移製取甲（jiǎ）醇。

（2）二氧化碳“一步”轉化生（shēng）成碳氫化合物燃料。美國AIR公司正在利用“電力製液體烴類”（power to liquids）技術——AIRMADE™，建設一套工業示範裝置，旨在將捕集後的二氧化碳一步轉化為（wéi）甲醇、乙（yǐ）醇和鏈（liàn）烷烴等（děng）燃料原料^[3]。AIRMADE™工藝每（měi）生產1千克乙（yǐ）醇，就可以從（cóng）大氣中去除約1.5千克二氧化碳。江南大（dà）學劉小（xiǎo）浩教授團隊（duì）利用結構封裝法，結合以棒狀（zhuàng）氧化鈰為載體製成的雙（shuāng）鈀催化（huà）劑首次實（shí）現溫和條件下（3兆帕、240℃）二（èr）氧（yǎng）化碳（tàn）“一步”轉化生成乙醇，整個反（fǎn）應過程相對簡單^[4]。該催化劑對（duì）乙醇的選擇性為98.7%，穩定運行60小時無明顯失活，具備（bèi）良好的工業（yè）化應用前景（jǐng）。

（3）利用微藻固定技術轉化生成生（shēng）物燃料。日本千歲實驗室公司在馬來西亞建造了全球規（guī）模最大的藻類培養設施，主要（yào）利用衣藻捕集火電廠排放的（de）二氧化碳氣體，通過（guò）進一步加工精煉生產可持續航空燃料（liào）^[5]。與化學轉（zhuǎn）化過程相比，微藻（zǎo）固定二氧化碳技術（shù）不涉及高溫高壓、危險藥品（pǐn）等（děng）。據估計，該設施每年（nián）可固定700噸二氧化碳，最多生產8噸生物（wù）燃料。

二、二氧（yǎng）化碳轉（zhuǎn）化製新材料

隨著相關催化劑和（hé）工藝技術的不斷創新，二（èr）氧化碳高效轉化生成新型材料受到越來（lái）越（yuè）多的關注。相比於傳統（tǒng）材料，新材料憑借其獨特結構和優異性能被廣泛應用。

（1）合成新型塑料方麵取得多項進展。西安（ān）石油大學王（wáng）文珍教授（shòu）團隊（duì）研發出基於三乙基硼/雙-（三苯基正膦（lìn）基）氯化銨（TEB/PPNCl）的高效低廉新型催化劑，成功合成具有很強的抗紫外線老化性能的新型二氧化碳基聚碳（tàn）酸酯材料^[6]，隨後設計開發出熱穩定性和力學性能進一步（bù）提高的多（duō）類三元共聚交聯型聚碳酸酯^[7]。比利時列日大學Christophe Detrembleur教授（shòu）團（tuán）隊提出一種新的以（yǐ）N,S-縮烯酮為中間體、利用（yòng）二氧化（huà）碳生產聚氨酯的可持續技（jì）術，先將原材料放入（rù）充滿二氧（yǎng）化碳的加壓反應器，再（zài）使轉化的二氧化碳基化（huà）合物純化後製備出異丙基-2-惡唑酮（tóng）單體，最（zuì）終製造出（chū）粉末狀聚（jù）合物^[8]。美國能（néng）源部（DOE）資助二氧化碳轉化生成藻類衍（yǎn）生增值產品項目，最終生產得到聚氨酯、瀝青等產品^[9]。中國已經建成國內首套（tào）萬（wàn）噸級工業化的二氧化碳轉化生產聚碳酸酯多元（yuán）醇（chún）的項目，配（pèi）備全球規模最大（dà）的二氧化碳基多元醇裝（zhuāng）置，可生產具有高附加（jiā）值的高端多元醇產品和碳酸丙烯酯產品^[10]。

（2）轉（zhuǎn）化（huà）製碳納（nà）米纖維研究取得突破。美國布（bù）魯克海（hǎi）文實驗室和哥倫（lún）比亞大學的研（yán）究團隊合作開發出一（yī）種以二氧化碳為原料、耦合電催化-熱催化過程、組合碳負載的鈀電催化劑和鐵鈷合金製成的熱催化劑生產碳納米纖維的新方法（fǎ）^[11]。整個反應（yīng）可以在（zài）相對較低的溫度（370~450℃）和環境壓力（1個標準大氣（qì）壓）下進行，不僅成功合成碳納米纖維，還得到氫氣（qì）等附加（jiā）產品，反應結束後可以利用酸將金（jīn）屬浸（jìn）出濃縮，重新回收製成催化劑。研究表示，碳納米纖維混入水泥中，可以將二氧化碳封存在（zài）混凝（níng）土長達50年。

（3）有望實現二氧化碳製（zhì）石墨烯規模（mó）化生產。哈（hā）爾濱工業大學研究人員改（gǎi）進傳統（tǒng）鑄造設備，利用二（èr）氧化碳氣體和鎂熔體的氣液界麵反應成功（gōng）製備高質量（liàng）、均勻分散的石墨烯^[12]。氣液界麵可以使得石墨烯沿著界麵方向定向生長，石墨烯表麵的納米氧化鎂顆（kē）粒限製石墨烯外延生長，調（diào）控（kòng）石墨烯（xī）形態和缺陷密度。整個生（shēng）產過程連續、可控、成本較低，有望（wàng）實（shí）現大規模（mó）生產石墨烯。

三、二氧化碳（tàn）轉化製化工產（chǎn）品

二氧化碳有機化工利用（yòng）技術目前還需進一（yī）步發展，未（wèi）來研究（jiū）重點在於高效催化劑開發、轉化技術路徑優化等。

（1）轉化（huà）生成甲酸的（de）工藝已較為成熟。麻省理工學院和哈佛（fó）大學研究團隊合作提出一種利用近中性（xìng）pH陽離子交換膜、玻璃纖維中間層和氣體分壓（yā）管理將二氧化碳轉（zhuǎn）化為甲酸鹽的可行工藝，轉化率超過90%。整個過程（chéng）可以在（zài）環境溫度和較低（dī）氣壓下長期高效地進行，經過“二氧化（huà）碳→液態金（jīn）屬碳酸（suān）氫鹽→液態甲酸鉀或甲酸鈉”兩個階段生成高度穩定的固（gù）體粉末，目前已成功完成實驗室（shì）測試^[13]。華（huá）中科技（jì）大學夏寶玉教授團隊從回收的廢舊（jiù）鉛酸電池中得到鉛基耐酸腐蝕的（de）催化劑，建立質子交換膜二氧化（huà）碳電解（jiě）係統（tǒng），成功將二氧化碳轉化為甲酸，轉化率接近91%，甲酸的法拉第效率超過93%。上述催化劑（jì）可實現公斤級甚（shèn）至噸級的（de）量產，有望實現工業化應用^[14]。

（2）電催化二氧化碳生產乙酸實現高效、環保製備（bèi）。華中科技大學研究（jiū）團隊（duì）聯合多倫多大學等高（gāo）校研發銅（tóng）-銀稀釋合金催化劑，在10個大氣壓下利用可再生（shēng）電力經過“二氧化碳→一氧化碳→乙酸”兩步，實現二氧化碳高效（xiào）、綠色生產乙酸，可以連續820小時維持乙酸（suān）生成率（lǜ）在80%以上，法拉第效率高達（dá）91%，能量轉化效率可達34%^[15]。斯坦福（fú）大學研究人員研發的衍生於氫氧化銅的銅/氧化銅基催（cuī）化劑催化二氧化碳生成（chéng）乙酸的法拉第效率約為87%^[16]。該（gāi）催化劑製（zhì）備方法簡單，直接（jiē）在空氣中熱（rè）處理沉積在玻璃（lí）纖（xiān）維紙的氫氧化銅納米（mǐ）片，便可得到銅/氧化銅基複合物（wù），還能通過在陰極表麵塗覆銅離子交聯的海（hǎi）藻酸塗層顯著提高催化劑（jì）耐久性（xìng）。

（3）二氧化碳生成（chéng）環（huán）狀碳（tàn）酸酯研究受到廣泛關注（zhù）。中國科學院蘭州（zhōu）化（huà）學物理研究所研究團隊研製出溴化N-丁基-N-甲基呱啶/氯化鋅（xīn）催化劑，成功利用從（cóng）煙道氣中（zhōng）捕集的二氧化碳轉化生成環（huán）狀碳酸酯，溫和條（tiáo）件（反應溫度60℃、反（fǎn）應時間18小（xiǎo）時）下環碳酸酯的收率可達98%，該催化劑還具有良好的（de）可回收性、穩定（dìng）性和耐水（shuǐ）性^[17]。隨後，蘭州化物所利用含四齒氨基吡啶配體的鋅配合物，在30℃、1個標準大氣壓環境下，實現二氧化碳高效轉化合成（chéng）環狀碳酸酯（zhǐ），反應過程無需溶劑和助催化劑，鋅催化劑在回收（shōu）5次後，催化（huà）活性沒有（yǒu）明（míng）顯降低^[18]。青島科技（jì）大學團隊設計出高效轉化合成環狀碳酸酯新型多相催化（huà）劑，實現無溶（róng）劑、無（wú）金屬以及常壓條件下的二氧化碳轉化^[19]。

四、二氧化碳轉化（huà）技術未來發展趨勢

二氧化碳轉化技術是助力實現“雙碳”目標的重要途徑之（zhī）一，盡管（guǎn）當下已經取（qǔ）得多項（xiàng）研發進展，但將相關技術真正應用於工業化生產仍（réng）然需要攻克多個（gè）難題^[20]。多數轉化技術仍處（chù）於早期發展（zhǎn）階段，涉及成本高昂、能耗高、能效低、轉化效率低、技術不確定性等問題，催化過程仍需攻克催化劑活性、選（xuǎn）擇性、穩定性等難題，並未實現真正意義上的可持續性^[21]。

（1）轉化（huà）製燃料方麵[^22],[23]，銅基催化劑失活以及活性位點問題有待（dài）進一步研究，還需探（tàn）究複合催（cuī）化劑（jì）組分之間的相互作用和動態變化（huà），加氫轉化過程需要考慮氫氣成本和反應條件。此外，光催化（huà）轉化過程中，需要進一步比較（jiào）不同半導體材料提高太陽直接照射下的效率和生產力的能力，同時光催化劑也麵臨產量低、穩定性低、合成方法有害等挑戰，電催化轉（zhuǎn）化也需解決（jué）能耗較高、高性能電極材料開發等問題。

（2）製新（xīn）材料方麵^[24],[25]，以二氧化碳為原料生產的方式（shì）相比於傳統方法更加綠色、節能（néng）。目前，合成新材料的相關研（yán）究顯示，產品品種少、生產成本高、最終產率低、反應條件高（gāo）等阻礙規模應用，催化劑（jì）催化（huà）性能低和（hé）副產品盡數去除也（yě）是推進（jìn）實際利（lì）用的一（yī）大阻力。未來研究需（xū）要先進（jìn）的表征技術和理論模擬（nǐ），提高產品生物相容（róng）性和生物降解性，解決（jué）基因組工程領域的技術瓶頸。

（3）製化工產品方麵^[26],[27]，存在催化劑催化活性較低、最終產品產量不高、生產工藝（yì）不能滿足工業化（huà）需求等問題。部分轉化（huà）工藝應用的金屬催化劑（jì）也有（yǒu）價格昂貴、選擇性差、毒性大（dà）、不便於分離回收和循環使用、對水解或氧化敏感（gǎn）性低等缺點（diǎn），同時還要克服高（gāo）溫燒結、積碳（tàn）導致的催化劑失活困難。設計高效、低能耗（hào）、高選擇性的（de）催化劑（jì），深入探究相關（guān）催化機理是促進二氧化碳化工利（lì）用的主要發展途徑。

總之，實現二氧化碳高質量、資源化利用，需要：①充（chōng）分考慮技術、需求和（hé）發展潛力的關係，選擇最（zuì）佳反應路徑（jìng），促進二氧化碳（tàn）產品多（duō）元（yuán）化發展，避免同質（zhì）化和產能過剩；②構（gòu）建高效、低能耗、高選擇性（xìng）的催化體係，探索厘清催化劑活（huó）化、反應以及催化作用機理，實現產物精確調控；③降低（dī）綠氫（qīng）、綠電的使用成本，大力支持二氧化碳催化轉化新技術示範項目（mù）的部署，在產業層麵協（xié）調二氧化碳利用方式的整合優化，加快工業化進程。