零碳科技：二氧化碳72变，中国科学家不断突破

二氧化碳是温室气体，但也是一种碳资源，随着高效催化剂的开发，技术路线、产品方案的不断优化等，二氧化碳有机化工利用技术飞速发展。

二氧化碳是碳的最高氧化状态，也是能量最低的状态，化学稳定性好。因此其作为原料制备有机化合物时，必须有大量能量输入。正是由于二氧化碳具有较高的热力学稳定性和动力学惰性，将二氧化碳高效转化为高值化学品是一项极具挑战的任务。

目前， 化学工业中二氧化碳作为化工原料的成熟应用技术较少，其中最大规模的利用途径是生产尿素（生产1吨尿素消纳二氧化碳约0.7吨），少量应用于生产水杨酸、碳酸酯及聚碳酸酯等。

在传统热催化领域，克服二氧化碳热力学稳定性的策略之一是与高自由能底物反应。这主要有两条路径：一是二氧化碳被氢气还原生成甲醇等化学品；二是二氧化碳与环氧化合物等反应生成环碳酸酯或聚碳酸酯（二氧化碳基聚碳酸酯)等化学品。此外，还可以通过二氧化碳催化重整、逆水煤气变换等反应制取合成气，耦合合成气下游化学品制备技术间接实现二氧化碳的化工利用；也可以通过光、电、离子液体等外场作用实现二氧化碳转化为合成气及化学品。

在中国科学家手中，二氧化碳正在被转化为多种多样的产品，实现了华丽转身。

两年前，中国科学院天津工业生物技术研究所实现了从二氧化碳到淀粉的实验室人工合成，蜚声海内外。两年后，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，该研究所与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作，实现了又一次创新飞跃。

走进中国科学院天津工业生物技术研究所办公大楼，映入眼帘的是密密麻麻一整面专利墙。“这次我们的研究实现了糖分子精准从头合成，使糖分子立体结构可控。”在实验室内，身穿白大褂的副研究员、论文第一作者杨建刚说。这项在实验室里结出的硕果，为跳出自然束缚、利用二氧化碳创造多样的糖提供了可能。

科研团队从碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应入手，用人工方式改造自然来源酶催化剂的催化特性，是此次研究的最关键创新。进入实验操作环节，研究人员将二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配，在人工改造过的酶等催化剂的催化作用下，仅用约17个小时，就高效、精准获得葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。

杨建刚表示，该过程的碳转化率高于传统植物光合作用，比已知的化学法制糖以及电化学-生物学耦合的人工制糖方法有更高的效率。与通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式相比，糖的获取时长实现了从“年”到“小时”的跨越。

除了高效，研究成果的另一大突出特性是精准。换言之，想合成什么样的糖，在实验环节就能人为控制。“这是人工碳水合成领域的又一重要成果。”中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和认为，这项研究是应对复杂糖结构、实现人工精准可控合成的新突破。

德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就论文给出的评价意见认为，从二氧化碳转化为糖是特别有挑战性的工作。这一成果提供了一种灵活性、多功能性和高效性的糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

2023年5月，江南大学化学与材料工程学院刘小浩教授团队创新性地采用结构封装法，构筑了纳米“蓄水”膜反应器，在国际上首次实现了二氧化碳在温和条件下一步近100%转化为乙醇。相关研究成果发表于《美国化学会·催化》。

近年来，科学家已经开发了多种途径将二氧化碳转化为乙醇，比如光催化、电催化以及间歇釜热催化。相较于上述技术途径，在连续流固定床反应器中，由于便捷的物质流和能量流管理，更容易实现工业应用。但目前的技术无法实现可控精准增碳定向生成乙醇，易产生大量低价值的副产物。

该科研团队构筑的纳米“蓄水”膜反应器，合成的催化剂结构类似于一个胶囊，内部封装了二氧化铈载体分散的双钯催化剂。刘小浩介绍，胶囊的壳层具有高选择性，疏水修饰后，保证内部生成的水富集而产物乙醇可以溢出。其中的水环境可以稳定双钯活性位点，该催化剂能够实现温和条件下（3MPa，240℃）二氧化碳近100%选择性高效稳定转化为乙醇。值得一提的是，这项研究构筑的双钯活性位点具有独特的几何和电子结构，可实现二氧化碳加氢定向生成单一高价值产物乙醇。催化剂合成工艺和催化反应路线简单，有大规模工业化应用前景。

2022年3月，国际知名期刊《自然·催化》以封面文章的形式发表了一项最新研究成果。经过一年半的努力，我国科研人员通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。这一成果由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。

根据研究，研究团队可以通过将二氧化碳转化为葡萄糖或油甚至脂肪酸一个催化过程。这项研究完全可以人为控制，可以突破很多外界的制约。未来通过对电催化和生物发酵的进一步研究，实现这两个平台的兼容和兼容。未来有可能合成淀粉以外的色素，生产药物等。

2022年3月，中国科学院大连化学物理研究所联合珠海某公司成功研发出“二氧化碳变汽油”技术。该技术通过使用一种全新的多功能复合催化剂，将二氧化碳和氢结合转换成类似汽油化学物。该研究得到了中国石油和化学工业联合会的科技成果评价，并建成了全球首套1000吨/年二氧化碳加氢制汽油中试装置，成功生产出符合国VI标准的清洁汽油产品。

这一研究成果引起了社会各界的广泛关注。这项技术有望降低中国对国际原油的依赖程度，为经济发展提供更大助力。此外，随着石油储量逐渐减少，这项技术的出现也让人们看到了石油变成可再生资源的希望。此外，通过将温室气体二氧化碳转化为汽油，这项技术还可以帮助减少温室气体排放，实现可持续发展。然而，一些人对这项技术持怀疑态度，质疑二氧化碳和汽油之间的差异，以及是否能够实现转化。

据介绍，这项技术的成功关键在于研究团队设计的一种新型多功能复合催化剂。与以往的催化剂相比，这种新催化剂在转化生产条件要求、转化效率、生产出的汽油质量和催化剂稳定性方面都有独特优势。值得注意的是，该技术已经投入实际生产，但目前的产能仅为1000吨/年，与我国汽车燃油消耗量相比仍然较小。

此外，该技术还面临一些挑战和问题。首先，与石油提炼汽油相比，二氧化碳提取和氢制备的成本较高。其次，尽管汽油是由二氧化碳转化而来，但在使用过程中仍然会产生污染物，不如电动汽车和氢燃料汽车环保。最后，该技术的可持续发展性还有待验证。

二氧化碳转化为甲酸盐，90%效率直接做燃料

2023年10月，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发出一项新的有效工艺，能够将二氧化碳转化为甲酸盐，类似于氢气或甲醇一样可用于燃料电池供电。

甲酸盐是一种液体或固体材料，在工业生产中已经得到广泛应用，主要用于道路和人行道的除冰剂。该化合物具有无毒、不易燃、易于储存和运输的特点，并且可以在一段时间内稳定存储在普通钢罐中。

这项新工艺成果已发表在《细胞报告物理科学》杂志上，并已在小规模实验室中取得成功。研究人员表示，目前将二氧化碳转化为燃料的方法通常涉及两个阶段：首先进行化学捕获气体并将其转换为碳酸钙等固体；接着加热该材料以将其转化为所需的燃料原料。然而，第二阶段效率通常较低，只有不到20%的气态二氧化碳能够转化为所需产品。而最新工艺的转换率高达90%，消除了对低效加热步骤的依赖。

研究人员还提到，二氧化碳需要通过中间形式（液态金属碳酸氢盐）进行处理后才能被转化为燃料原料。这一过程不会涉及对低碳电力（如核能、风能或太阳能）的利用。最终产品是高度稳定的固体粉末，可以在普通钢罐中储存长达数年甚至数十年。

2007年前后，我国在应对气候变化的相关“国家方案”中均强调了推动碳捕集与封存技术（CCS）与二氧化碳利用技术。国际上也开始重视二氧化碳利用技术，并把利用的“U”与CCS融合为CCUS。

之前，大家普遍认为二氧化碳利用技术存在4大缺陷，即封存期短、减排量小、额外耗能、技术经济性不强。

随着技术不断进步，目前的二氧化碳利用能耗、成本、体量均得到了很大幅度的改善，这些为二氧化碳利用技术带来转机。规模化生产开始落地，成本、能耗等普遍降低，项目规模也开始迈向万吨级。越来越多团队在催化剂等基础研究方面取得突破，制备纯度大幅提高，有的甚至达到99%。来自国内外的大量实践表明，曾经困扰二氧化碳利用技术落地的缺陷已经得到逐步解决。

有报告显示，到2050年，仅利用二氧化碳制备合成气和甲醇的产量就可能分别达到4000万吨左右。数据显示，截至2023年2月，我国已经投运和规划中的二氧化碳利用技术示范项目为57个，将二氧化碳高效转化为有价值的化工和生物产品的项目数量约为40%。

不过当前部分二氧化碳利用技术成熟度不高，还处于中试及以下水平。产业化发展与技术成熟度和经济可行性密切相关，当前在混凝土养护、高分子聚合物合成等少数几类产品的工业化生产中，二氧化碳利用技术成本已经能够低于传统工艺，其他产品的研究仍需加强，以实现更高经济可行性。

二氧化碳转化利用涉及热力学、动力学方面的一系列难题。解决二氧化碳转化中的科学难题，推动相关产业发展是一项长期课题。

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