二氧化碳转化利用迎来新突破，为净零排放经济注入新动力
二氧化碳转化利用迎来新突破，为净零排放经济注入新动力
美国国家科学院近期发布《碳利用基础设施、市场与研发：最终报告》，详细介绍了多种二氧化碳转化利用方式。这些方法不仅能够将二氧化碳转化为燃料，如甲醇和乙醇，还能合成新型塑料和碳纳米纤维等高性能材料。这些突破为未来的净零排放经济提供了重要支持，展示了二氧化碳转化技术的巨大潜力。
二氧化碳转化利用的新突破
高效甲醇转化技术
俄亥俄州立大学化学家团队在《Nature Catalysis》期刊上发表了一项重要研究，展示了一种高效的将二氧化碳转化为甲醇的新方法。研究利用电流通过电解质溶液，使钴酞菁（CoPc）分子在碳纳米管表面均匀分布，从而实现了二氧化碳的转化。研究人员首次通过原位光谱技术观察到这些分子在不同反应环境下的行为，发现反应路径的选择与环境密切相关。通过调节CoPc催化剂在碳纳米管表面的分布，研究人员使二氧化碳转化为甲醇的可能性提高了八倍，具体转化率达到了40%。
这一发现不仅为优化和改进二氧化碳转化过程提供了重要的见解，也为未来的研究指明了方向。甲醇作为一种高能量密度的替代燃料，具有广泛的应用前景。研究的共同作者、俄亥俄州立大学化学与生物化学教授罗伯特·贝克指出，甲醇不仅可以作为交通燃料，还可以用于供热和发电，推动未来的化学发现。
创新碳捕集技术
香港中文大学（深圳）理工学院教授李怀光与剑桥大学教授Alexander C. Forse的研究团队在国际顶级学术期刊《Nature》上发表了关于碳捕集技术的最新研究成果——“Capturing carbon dioxide from air with charged sorbents”。研究团队开发出一种名为“带电吸附剂”的新型材料，该材料利用电化学技术，在低成本活性碳的孔隙中积聚大量活性氢氧根离子，从而实现对空气中二氧化碳的高效捕获。
这一创新设计不仅显著提高了吸附容量和效率，更重要的是，带电吸附剂在脱附过程中无需高温条件，仅需在90-100℃下即可完成，大大降低了能耗。研究数据显示，带电吸附剂（PCS-OH）的吸附热高达137 kJ mol⁻¹，对二氧化碳表现出极强的亲和力，能够在极短时间内将空气中的二氧化碳浓度大幅降低。同时，该材料在连续11天的测试中表现出100%的吸附稳定性，即便在14个月后，其性能也仅下降8%，展现出极高的应用潜力。
我国CCUS技术的发展现状
在“双碳”背景下，我国CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）技术迅速发展，但现阶段仍面临多方面挑战，距离大规模商业化运行仍有一定的距离。为了推动CCUS技术的发展和应用，有必要搭建CCUS全产业链技术研发平台，加快CCUS技术各环节低成本、低能耗关键技术研发，超前部署前沿和颠覆性CCUS技术验证，提高技术成熟度和市场竞争力，以实现其广泛应用和可持续发展。
目前，我国CCUS技术体系正在逐步完善和丰富。在二氧化碳捕集方面，燃烧后化学吸收技术、燃烧前物理吸收技术等已完成工程示范并投入商业运行，正在研发基于新型吸收剂的化学吸收技术、化学吸附技术等。运输方面，管输规模已突破百万吨，管输压力迈入超临界范围，管输经济优势日渐明显。二氧化碳利用方面，正在由强化石油开采向化工利用和生物利用拓展，逐步实现高附加值化学品合成、生物产品转化等绿色利用方式。
面临的挑战与未来展望
尽管取得了重要进展，但CCUS技术的规模化发展仍面临挑战。技术成本高、成熟度不足和市场接受度不高是主要障碍。例如，有机胺法捕集技术每捕集1吨二氧化碳需要消耗0.51公斤胺液和1.4吨蒸汽，成本较高。运输成本每百公里每吨碳在80120元，封存成本每吨二氧化碳在50~100元。此外，技术成熟度不足也影响了市场接受度。
针对这些问题，需要通过技术创新和政策推动，提高碳捕集、利用与封存技术的经济性和可靠性，实现大规模应用和普及。在捕集技术方面，要通过研发更先进的二氧化碳捕集技术，降低捕集成本、提高捕集效率，当前主要有三个发展方向：
一是开发吸收能力强、能耗低、成本低的吸收剂。美国能源部（DOE）支持研究机构开展了离子液体法捕集二氧化碳的研究，其中美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）也进行了离子液体法捕集二氧化碳的研究，成功开发出一种具有高吸收容量和快速反应速度的离子液体吸收剂。中国科学院过程工程研究所、中国科学院理化技术研究所、华东师范大学等单位也不断加强离子液体法捕集研究。
二是开发能耗低、操作简单、成本低的膜分离技术。天津大学、中国科学院大连化学物理研究所、中国石化南京化工研究院等单位均开展了膜分离二氧化碳捕集技术研究，其中，天津大学牵头的“十三五”国家重点研发计划“膜法捕集二氧化碳技术及工业示范”项目，形成了国际领先的膜法捕集二氧化碳完整技术链，并建成50000标准立方米/日膜分离碳捕集工业示范装置。
三是攻关具有吸附容量大、能耗低的吸附技术。
总体而言，二氧化碳转化技术的突破为实现净零排放经济提供了新的可能。然而，要实现这些技术的商业化应用，仍需克服诸多挑战。未来的研究应集中在开发新型催化剂、优化反应条件以及提高甲醇的选择性和产率。通过整合新技术，如3D打印、等离子体技术和原子层沉积技术，研究人员希望能够实现高效、低能耗的甲醇生产。此外，政策制定者也应关注这一领域的发展，制定相应的政策和激励措施，支持可再生能源和二氧化碳转化技术的研究与应用。