雙碳目標下二氧化碳催化轉化技術研究進展

收稿日期：2023-11-24

作者簡介：魯佩芳（1996—），女，山東煙臺人，碩士，助理工程師。研究方向：環境監測。

摘要：為如期實現碳達峰碳中和目標，發展綠色經濟，在政策調控高能耗、高物耗企業的基礎上，當前急需開展二氧化碳的資源化利用，從源頭減少二氧化碳排放，同時在末端資源化利用二氧化碳。本文綜述熱催化轉化法、光催化轉化法、電催化轉化法等二氧化碳催化轉化技術，為二氧化碳資源化利用提供技術參考。

關鍵詞：碳達峰；碳中和；二氧化碳；催化轉化；資源化利用

中圖分類號：TQ032.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.027

Research progress on carbon dioxide catalytic conversion technology under dual carbon targets

LU Peifang1， RUAN Shaojun2

（1. Xuzhou Environmental Monitoring Center; 2. Air Force Logistics College， Xuzhou 221000， China）

Abstract： In order to achieve the carbon peak and carbon neutrality goals as scheduled， and develop a green economy， on the basis of policy regulation of high energy and high material consumption enterprises， there is an urgent need to carry out the resource utilization of carbon dioxide， reduce carbon dioxide emissions from the source， and utilize carbon dioxide resources at the end. This paper reviews carbon dioxide catalytic conversion technologies such as thermal catalytic conversion， photocatalytic conversion， and electrocatalytic conversion， providing technical references for the utilization of carbon dioxide resources.

Keywords： carbon peak; carbon neutrality; carbon dioxide; catalytic conversion; resource utilization

隨著全球工業大生產的推進和城市化進程的加快，能源需求急劇增加，尤其是化石能源。化石能源消耗產生大量二氧化碳（CO2），由此引發的氣候變化與生態環境變化已經成為21世紀人類社會面臨的重大現實問題。國際能源署（IEA）于2023年3月發布《2022年二氧化碳排放報告》，指出2022年全球CO2排放較2021年增長3.21億t，達到368億t。2020年，中國提出力爭在2030年前碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和[1]。

在碳達峰碳中和（簡稱雙碳）目標的要求下，我國環境保護政策趨緊，高能耗、高碳排放的企業面臨轉型、限制排放的難題。需要指出的是，我國面臨巨大減排壓力，單純控制企業排放規模顯然不是最優選項。為實現雙碳目標，當前應重點關注回收利用CO2的催化轉化技術，降低CO2排放量，提升經濟效益和環境效益。因此，要合理利用二氧化碳催化轉化技術，助力國家實現雙碳目標。實際上，回收利用CO2并不容易。CO2分子為O=C=O的直線型對稱結構，其中，碳原子與氧原子組成兩個三中心、四電子的離域大π鍵，使得CO2分子有著極高的穩定性，因此，如要實現CO2的轉化，首先要有足夠的能量來活化CO2分子，再將其作為氧化劑，接受來自體系或其他分子提供的電子，以形成各種高附加值產物。活化CO2所需要的能量可以是熱能、光能、電能等，不同能量供給方法的適用范圍、優缺點、獲得產物有著較大的差異，本文簡要介紹幾種二氧化碳催化轉化技術。

1 熱催化轉化法

熱催化轉化法以熱能活化CO2，在氫源或其他還原劑存在的條件下，將之轉化為CO、CH4、甲醇等高附加值產物，較容易實現，典型技術有CO2-CH4重整反應和熱法加氫還原CO2。CO2-CH4重整制合成氣是一種典型的二氧化碳利用技術，該技術在高溫體系、水蒸氣和氧氣、催化劑的作用下使得CH4和CO2轉化為CO與H2。合成氣可用于生產各種產品，例如，通過費托合成法生產高級烷烴和含氧化合物。該方法工藝簡單，成本低廉，但需要800～1 000 ℃的操作溫度才能實現甲烷和CO2向H2和CO的高平衡轉化，并且積碳會導致催化劑失活[2]。

熱法加氫還原CO2同樣需要高溫環境活化CO2，目前研究主要集中在高效催化劑的選擇與利用。Fe、Co、Cu、Zn等金屬的催化劑負載在比表面積大、熱穩定性高的載體上，用于CO2加氫制取低碳烯烴[3-5]，

制備工藝不斷改進；Cu基催化劑以及Pd、Pt、Au等貴金屬催化劑被廣泛用于CO2加氫制甲醇[6-7]，甲醇選擇性超過80%。目前，CO2加氫制甲醇技術已進入工業化階段，國內首套CO2加氫制甲醇裝置于

2022年9月在河南省安陽市投產。

前述方法操作簡便，但依靠燃燒形成的高溫系統有悖于節能減排。太陽能熱轉化法利用太陽能提供足夠的熱量，以CeO2、Fe2O3等為催化劑，將CO2和水還原成CO和H2，這一定程度上規避高溫體系的弊端。帥永等[8]利用太陽能熱催化還原技術，選擇不同催化劑，實現CO2向CO、甲烷、甲酸和合成氣的轉化；熊宇杰[9]從太陽能俘獲、電荷分離等角度出發，在原子精度上控制催化材料的表界面結構和電子結構，提高CO2的轉化效率；喻奧等[10]利用太陽能進行光伏發電，又利用太陽能對反應裝置進行加熱，以降低CO2還原的電解電壓，實現高效、綠色、低成本將CO2轉化為高附加值產品。但是，太陽能轉化效率低，太陽能反應堆材料穩定性差，使得利用太陽能驅動CO2轉化存在轉化率低、產物選擇性差等問題[11]。

2 光催化轉化法

光催化轉化法利用光敏半導體在光照作用下產生電子和空穴，電子將CO2還原為CO、甲酸等產物，它也被稱為人工光合作用。研究發現，尋找高效率的光催化劑是強化人工光合作用的關鍵。

張振等[12]利用可見光促進CO2參與羧基化反應，按照烯烴、炔烴、亞胺等重要化工原料分類闡述，具體分析各個反應機理，為該領域的進一步發展提供重要參考；王廣建等[13]設計可見光波長小于200 nm的真空紫外光反應器，以氮氣為發光介質標定特定光強，在2 500 Pa左右時CO產率最大；鄭灝亮[14]制備La2CuO4粉末，將其應用于光催化還原CO2反應，通過加入銀、鈷等金屬催化劑，提高光催化還原CO2的活性，也提升催化劑的光穩定性；莫江[15]合成金屬納米粒子負載在氮、磷摻雜碳層上的催化材料，探究材料對光催化還原CO2的效果，研究發現，鈷納米粒子起主要催化作用，其活性可保持最初的96%，而且穩定性很好。

與熱催化轉化法相比，光催化還原CO2可在常溫常壓下進行，明顯有著更為廣泛的應用前景，但廉價高效的光催化劑尚未得到開發，目前仍然存在光利用效率低、產率較低的問題。

3 電催化轉化法

電催化轉化法通過兩個電極間的電勢差驅動CO2轉化為高附加值產品，該方法對反應介質的要求低（氣相、液相條件均可發生），可在常溫常壓下進行，產物豐富，并且可以通過控制施加電位、電極材料等電催化條件實現產物的選擇性合成，這使得電催化還原CO2一躍成為當今CO2轉化研究領域的前沿。

與光催化轉化法相似，電催化轉化過程同樣需要催化劑來調控反應。段亞健[16]采用全氟磺酸膜技術，以四丁基高氯酸銨/碳酸丙烯酯為陰極電解液，金片作為陰極，氯化鈉溶液為陽極電解液，IrO2/Ti涂層電極作為陽極，構成隔膜電解池，生成CO、H2和碳酸氫鈉三種產物；胡強[17]利用電沉積法制備錫基復合材料作為CO2電化學還原的催化劑，提高生成甲酸的法拉第效率，其CO2還原性能良好；王曉春[18]采用新型隔膜電解池，分別在不同溶液中研究CO2在金銀電極上的電化學還原反應，結果發現，KHCO3溶液中電流效率達80%，而且在長時間的電還原過程中，銀電極一直保持很高的催化活性；金惠東[19]采用電化學陽極氧化法，泡沫銅表面生長一維氫氧化銅納米陣列，研究其在CO2電還原中的電化學性能，結果表明，調控氮摻雜可以有效改變銅基金屬有機框架（MOF）衍生的催化劑的CO2還原路徑，提高其催化性能；吳紅軍等[20]以鐵為陰極，鎳-鉻為陽極，采用電解CO2制備蜂窩狀單質碳和碳納米線，發現隨著電解溫度的升高，碳納米材料的粒徑逐漸增加，比表面積逐漸減小，在最優電解條件下，電流效率

高達82.33%。

電催化轉化法的電極材料、催化劑、電解液等均會影響反應產物的選擇性，若要廣泛應用于CO2轉化，則需要開發高效的電催化劑，降低反應的過電勢，提高電能利用效率，否則，電能消耗過大亦得不償失。

4 結論

近年來，CO2資源化利用技術發展迅速，但幾乎所有方法需要高純度的CO2為原料，若要充分利用工業廢氣，還需要將CO2提純，或者開發適用于低濃度CO2且不易被廢氣中雜質毒化的催化劑，這還有較長的路要走。若要實現雙碳目標，則需要加快CO2資源化利用的工業化進度，盡快將試驗成果轉化落地。實現雙碳目標是中國高質量發展的內在要求，也是中國對國際社會的莊嚴承諾。CO2減排和綠色利用的經濟效益與環境效益并重，將是我國實現雙碳目標的殺手锏。

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