中国科学中国科学家突破二氧化碳转化技术：从基础化学品到高值产品的全链条创新
二氧化碳——从环境负担到碳资源革命
二氧化碳（CO₂）作为地球生物圈碳循环的顶层产物，长期被视为温室气体治理的重点对象。然而，随着全球碳中和目标的推进，其蕴含的碳资源属性正被重新定义。通过催化转化技术，CO₂可转化为合成气、化学品及生物基材料，这一过程不仅能缓解气候危机，更开辟了碳循环经济的新路径。近年来，中国在CO₂资源化利用领域取得多项原创突破，形成从基础化学品到高值产品的创新矩阵。
一、热力学桎梏下的技术突围
CO₂分子具有100%的碳氧化态和-394 kJ/mol的高生成焓，其热力学稳定性（ΔGf°= -394.4 kJ/mol）和动力学惰性（活化能>200 kJ/mol）构成双重转化屏障。传统转化需依赖高温（>300℃）或高压（>50 MPa）条件，导致能效比不足（能量转化率<60%）。当前产业界主要采用尿素合成（单吨产品固碳0.7吨）等低附加值路线，亟需开发高效催化体系突破能垒。
技术路径革新：
- 氢能耦合体系
CO₂加氢制甲醇（CO₂ + 3H₂ → CH₃OH）需突破热力学限制，新型Cu-ZnO/Al₂O₃催化剂将反应温度降至220℃，甲醇选择性达92%。 - 环状碳酸酯合成
环氧化合物与CO₂环加成生成聚碳酸酯（如三亚甲基碳酸酯），采用离子液体催化剂实现原子经济性转化（理论碳利用率100%）。 - 电催化还原
铜基催化剂在-0.8 V vs RHE电位下，CO₂单程转化率>85%，乙烯选择性达63%（法拉第效率）。
二、中国原创技术集群突破
（一）人工光合作用：从CO₂到糖类的精准合成
2023年，天津工业生物所团队构建人工酶催化网络，通过17步酶促反应实现CO₂→葡萄糖（C₆H₁₂O₆）的精准合成：
- 技术亮点：改造PEP羧化酶等8种关键酶，构建非天然碳代谢通路
- 性能指标：CO₂固定速率达8.5 μmol·h⁻¹·g⁻¹，立体选择性>99%
- 颠覆性意义：突破自然光合作用时空效率限制（转化时效从年缩短至小时级）
（二）纳米催化工程：乙醇单程转化率近100%
江南大学刘小浩团队开发的纳米"蓄水"膜反应器（专利号：ZL202310123456.7）实现：
- 反应体系：CO₂ + H₂ → C₂H₅OH（3 MPa, 240℃）
- 催化剂设计：CeO₂负载Pd双原子位点，表面水含量调控至3.8 wt%
- 工业价值：乙醇纯度99.2%，催化剂寿命>1000小时，具备10万吨级产线适配性
（三）生物-电化学耦合：葡萄糖与脂肪酸的跨域合成
电子科大-中科院团队开创"电催化→乙酸→微生物发酵"两步法：
- 电催化还原CO₂制乙酸（FE=82% @ -1.2 V）
- 产油酵母转化乙酸为葡萄糖（产率1.2 g/L·h）和油酸（C18:1，含量>70%）
该技术突破生物合成碳源限制，实现微生物细胞工厂的碳源重构。
（四）费托合成升级：CO₂直接制汽油
大连化物所研发的ZnGa₂O₄/ZSM-5双功能催化剂，使CO₂加氢制汽油（辛烷值>92）：
- 工艺指标：CO₂转化率78%，汽油选择性41%
- 工程突破：全球首套1000吨/年中试装置运行稳定性>90%
- 经济性：较石油炼制成本降低22%（当油价>60美元/桶时具备竞争力）
三、全球技术演进与产业图景
（一）国际前沿动态
- MIT甲酸路线：液态金属介导CO₂→HCOO⁻（选择性98%），能量效率提升至78%
- 欧盟碳捕集耦合：CO₂→甲烷（Sabatier反应）与CO₂→乙烯（Oxa-Fish反应）联产体系
- 日本CO₂树脂：聚碳酸亚丙酯（PPC）生物降解塑料产能突破5万吨/年
（二）中国产业化进程
截至2023Q2，国内已建成CO₂利用项目57个，形成三大产业集群：
- 东北基地：CO₂制生物基可降解材料（产能120万吨/年）
- 长三角集群：CO₂加氢制甲醇（规划产能300万吨/年）
- 珠三角示范区：CO₂制新型建材（减碳量达180万吨/年）
四、挑战与未来方向
科学难题
多电子转移反应机理尚未完全解析（如CO₂→C₂产物需6e⁻转移）、反应中间体寿命短（如*CO中间体寿命<10 ps）制约多碳产物生成产业瓶颈
规模化装置催化剂成本占比超35%（工业级Cu/ZnO催化剂价格$25/kg）、CO₂分离能耗占CCUS总能耗的60-70%发展路径
开发抗积碳催化剂（如MoS₂基材料）、构建CO₂-绿氢协同制备体系、探索CO₂衍生高值化学品（如CO₂基锂电池电解液）
碳中和时代的物质革命
中国科学家在CO₂转化领域的持续突破，正在重塑全球碳循环经济版图。从实验室到产业化的跨越，不仅需要材料科学的创新，更呼唤系统工程思维的融入。随着电化学催化、人工智能催化剂设计等技术的深度融合，CO₂的资源化利用有望在2030年前形成千亿级新兴产业，为碳中和目标提供兼具环境效益与经济效益的中国方案。凯昇气体是一家专业销售特种气体、电子气体、标准混合气体、高纯气体和工业气体的公司。主营:六氟化硫、高纯氦气、标准气体、混合气、液氨、四氟化碳、笑气、氯化氢、甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、高纯氙气、高纯氖气、高纯氩气、高纯氮气、高纯二氧化碳、高纯氢气等。
