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二氧化碳转化造高附加值产品研发进展分析
8月7日，美国国度科学院、工程院与医学院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）颁布《碳利用基础设施、市场与研发》汇报介绍了多种二氧化碳转化利用方式，梳理了二氧化碳通过矿化、生物转化、化学转化等过程造成燃料、无机碳酸盐、固体碳材料等高附加值碳基产品的近况、挑战和研发需要，指出在将来的净零排放经济中，二氧化碳转化利用将阐扬沉要作用[1]？蠡墙氧化碳经过物理或化学伎俩转化成不变的矿物质或者化合物，分为原位矿化和非原位矿化，产品多用于构筑行业 ；生物转化是指利用生物过程或生物步骤将二氧化碳转化为其他碳基化合物 ；化学转化则是通过电催化、光催化等推进二氧化碳还原合成碳基产品。本文梳理了2023年以来二氧化碳转化造高附加值产品的钻研进展，以期为二氧化碳转化利用提供参考。
一、二氧化碳转化造燃料
二氧化碳转化造燃料利用远景优良，近两年萦绕光催化转化、生物转化和化学转化等步骤获得多项突破。
（1）在室温下将二氧化碳转化为液体燃料。美国布鲁克海文国度尝试室和北卡罗来纳大学教堂山分校的钻研团队在25℃室温、常压下使用可回收、价值便宜、性质易控的二氢苯并咪唑作为催化剂，选取一氧化碳和二氧化碳级联反映战术，催化出产甲醇[2]。整个反映过程由太阳能驱动，先通过二氧化碳光化学还原反映天生一氧化碳，再利用二氢苯并咪唑进行氢化物转移造取甲醇。
（2）二氧化碳“一步”转化天生碳氢化合物燃料。美国AIR公司在利用“电力造液体烃类”（power to liquids）技术——AIRMADE?，建设一套工业示范装置，旨在将捕集后的二氧化碳一步转化为甲醇、乙醇和链烷烃等燃料原料[3]。AIRMADE?工艺每出产1千克乙醇，就能够从大气中去除约1.5千克二氧化碳。江南大学刘幼浩教授团队利用结构封装法，结合以棒状氧化铈为载体造成的双钯催化剂初次实现和善前提下（3兆帕、240℃）二氧化碳“一步”转化天生乙醇，整个反映过程相对单一[4]。该催化剂对乙醇的选择性为98.7%，不变运行60幼时无显著失活，具备优良的工业化利用远景。
（3）利用微藻固定技术转化天生生物燃料。日本千岁尝试室公司在马来西亚建造了全球规模最大的藻类造就设施，重要利用衣藻捕集火电厂排放的二氧化碳气体，通过进一步加工精辟出产可持续航空燃料[5]。与化学转化过程相比，微藻固定二氧化碳技术不涉及高温高压、危险药品等。据估计，该设施每年可固定700吨二氧化碳，最多出产8吨生物燃料。
二、二氧化碳转化造新资料
随着有关催化剂和工艺技术的不休创新，二氧化碳高效转化天生新型资料受到越来越多的关注。相迸宗传统资料，新资料凭借其怪异结构和优异机能被宽泛利用。
（1）合成新型塑料方面获得多项进展。西安石油大学王文珍教授团队研发出基于三乙基硼/双-（三苯基正膦基）氯化铵（TEB/PPNCl）的高效便宜新型催化剂，成功合成拥有很强的抗紫表线老化机能的新型二氧化碳基聚碳酸酯资料[6]，随后设计开发出热不变性和力学机能进一步提高的多类三元共聚交联型聚碳酸酯[7]。比利时列日大学Christophe Detrembleur教授团队提出一种新的以N,S-缩烯酮为中央体、利用二氧化碳出产聚氨酯的可持续技术，先将原资料放入充斥二氧化碳的加压反映器，再使转化的二氧化碳基化合物纯化后造备出异丙基-2-恶唑酮单体，最终造作出粉末状聚合物[8]。美国能源部（DOE）赞助二氧化碳转化天生藻类衍生增值产品项目，最一分娩得到聚氨酯、沥青等产品[9]。中国已经建成国内首套万吨级工业化的二氧化碳转化出产聚碳酸酯多元醇的项目，建设全球规模最大的二氧化碳基多元醇装置，可出产拥有高附加值的高端多元醇产品和碳酸丙烯酯产品[10]。
（2）转化造碳纳米纤维钻研获得突破。美国布鲁克海文尝试室和哥伦比亚大学的钻研团队合作开发出一种以二氧化碳为原料、耦合电催化-热催化过程、组合碳负载迪胭电催化剂和铁钴合金造成的热催化剂出产碳纳米纤维的新步骤[11]。整个反映能够在相对较低的温度（370~450℃）和环境压力（1个尺度大气压）下进行，不仅成功合成碳纳米纤维，还得到氢气等附加产品，反映实现后能够利用酸将金属浸出浓缩，沉新回收造成催化剂。钻研暗示，碳纳米纤维混入水泥中，能够将二氧化碳封存在混凝土长达50年。
（3）有望实现二氧化碳造石墨烯规 ；霾。哈尔滨工业大学钻研人员改进传统铸造设备，利用二氧化碳气体和镁熔体的气液界面反映成功造备高质量、均匀分散的石墨烯[12]。气液界面能够使得石墨烯沿着界面方向定向成长，石墨烯表表的纳米氧化镁颗粒限度石墨烯表延成长，调控石墨烯状态和缺点密度。整个出产过程陆续、可控、成本较低，有望实现大规模出产石墨烯。
三、二氧化碳转化造化工产品
二氧化碳有机化工利用技术目前还需进一步发展，将来钻研沉点在于高效催化剂开发、转化技术蹊径优化等。
（1）转化天生甲酸的工艺已较为成熟。麻省理工学院和哈佛大学钻研团队合作提出一种利用近中性pH阳离子互换膜、玻璃纤维中央层和气体分压治理将二氧化碳转化为甲酸盐的可行工艺，转化率超过90%。整个过程能够在环境温度和较低气压下持久高效地进行，经过“二氧化碳→液态金属碳酸氢盐→液态甲酸钾或甲酸钠”两个阶段天生高度不变的固体粉末，目前已成功实现尝试室测试[13] ；锌萍即笱谋τ窠淌谕哦哟踊厥盏姆暇汕λ岬绯刂械玫角退崆质吹拇呋，成立质子互换膜二氧化碳电解系统，成功将二氧化碳转化为甲酸，转化率靠近91%，甲酸的法拉第效能超过93%。上述催化剂可实现公斤级甚至吨级的量产，有望实现工业化利用[14]。
（2）电催化二氧化碳出产乙酸实现高效、环保造备。华中科技大学钻研团队结合多伦多大学等高校研发铜-银稀释合金催化剂，在10个大气压下利用可再生电力经过“二氧化碳→一氧化碳→乙酸”两步，实现二氧化碳高效、绿色出产乙酸，能够陆续820幼时维持乙酸天生率在80%以上，法拉第效能高达91%，能量转化效率可达34%[15]。斯坦福大学钻研人员研发的衍生于氢氧化铜的铜/氧化铜基催化剂催化二氧化碳天生乙酸的法拉第效能约为87%[16]。该催化剂造备步骤单一，直接在空气中热处置沉积在玻璃纤维纸的氢氧化铜纳米片，便可得到铜/氧化铜基复合物，还能通过在阴极表表涂覆铜离子交联的海藻酸涂层显著提高催化剂耐久性。
（3）二氧化碳天生环状碳酸酯钻研受到宽泛关注。中国科学院兰州化学物理钻研所钻研团队研造出溴化N-丁基-N-甲基哌啶/氯化锌催化剂，成功利用从烟路气中捕集的二氧化碳转化天生环状碳酸酯，和善前提（反映温度60℃、反映功夫18幼时）下环碳酸酯的收率可达98%，该催化剂还拥有优良的可回收性、不变性和耐水性[17]。随后，兰州化物所利用含四齿氨基吡啶配体的锌共同物，在30℃、1个尺度大气压环境下，实现二氧化碳高效转化合成环状碳酸酯，反映过程无需溶剂和助催化剂，锌催化剂在回收5次后，催化活性没有显著降低[18]。通辽科技大学团队设计出高效转化合成环状碳酸酯新型多相催化剂，实现无溶剂、无金属以及常压前提下的二氧化碳转化[19]。
四、二氧化碳转化技术将来发展趋向
二氧化碳转化技术是助力实现“双碳”指标的沉要蹊径之一，只管当下已经获得多项研发进展，但将有关技术真正利用于工业化出产依然必要攻克多个难题[20]。无数转化技术仍处于早期发展阶段，涉及成本高昂、能耗高、能效低、转化效能低、技术不确定性等问题，催化过程仍需攻克催化剂活性、选择性、不变性等难题，并未实现真正意思上的可持续性[21]。
（1）转化造燃料方面[22],[23]，铜基催化剂失活以及活性位点问题有待进一步钻研，还需探索复合催化剂组分之间的相互作用和动态变动，加氢转化过程必要思考氢气成本和反映前提。此表，光催化转化过程中，必要进一步比力分歧半导体资料提高太阳直接照射下的效能和出产力的能力，同时光催化剂也面对产量低、不变性低、合成步骤有害等挑战，电催化转化也需解决能耗较高、高机能电极资料开发等问题。
（2）造新资料方面[24],[25]，以二氧化碳为原料出产的方式相迸宗传统步骤越发绿色、节能。目前，合成新资料的有关钻研显示，产品种类少、出产成本高、最终产率低、反映前提高档故障规模利用，催化剂催化机能低和副产品尽数去除也是推动现实利用的一大阻力。将来钻研必要先进的表征技术和理论仿照，提高产品生物相容性和生物降解性，解决基因组工程领域的技术瓶颈。
（3）造化工产品方面[26],[27]，存在催化剂催化活性较低、最终产品产量不高、出产工艺不能满足工业化需要等问题。部门转化工艺利用的金属催化剂也有价值昂贵、选择性差、毒性大、不便于分离回收和循环使用、对水解或氧化敏感性低等弊端，同时还要克服高温烧结、积碳导致的催化剂失活难题。设计高效、低能耗、高选择性的催化剂，深刻探索有关催化机理是推进二氧化碳化工利用的重要发展蹊径。
总之，实现二氧化碳高质量、资源化利用，必要：①充分思考技术、需要和发展潜力的关系，选择最佳反映蹊径，推进二氧化碳产品多元化发展，预防同质化和产能过剩 ；②构建高效、低能耗、高选择性的催化系统，索求厘清催化剂活化、反映以及催化作用机理，实现产品精确调控 ；③降低绿氢、绿电的使用成本，大力支持二氧化碳催化转化新技术示范项主张部署，在产业层面协调二氧化碳利用方式的整合优化，加快工业化过程。
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