中国石化报

国内首条百万吨、百公里二氧化碳输送管道投产运行。夏兆明 梁世英 摄影报道

    二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。

    我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。

    转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。

    二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。

    光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。

    这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。