CO2捕集利用与封存（CCUS）在我国作为实现“双碳”目标的关键技术之一, 已进入规模示范。在利用CO2中，一部分直接使用，主要在石油开采中用CO2驱油，规模达千万吨级/年。另一部分捕集的CO2资源化是将其转化为价值更高的物质，目前已开始实践，主要与绿氢结合生产甲醇，规模达10万吨级/年。但与我国每年排放超120亿吨CO2相比，CCUS的CO2用量份额不足1%，转化只占1/10万。
转化的实质是将CO2的+4价C还原为低价态的C：+2价碳如甲酸、一氧化碳、乙烯；零价碳如甲醛；-2价碳如甲醇；-4价碳如甲烷。如果我国每年捕获6亿吨CO2用于转化为上述产品4亿吨，就可满足化工行业2030年所需的原料，我国石油化工业就“完全绿化”了。每年再捕获3亿吨CO2用于转化为增程式车燃料，电动车就可“负碳行驶”且节电。
CO2转化量受限于绿电—绿氢的产量，更与捕集转化的耗能量和成本直接相关。
人们都说，“CO2转化能耗高、成本高。”为什么高？能不能降低？从何降低？图一回答了这些问题。转化中必然提高产物的自由能，这部分能量丝毫不得减少。除此之外的能耗都有降低潜力,是人们的“用武之地”。
我们的努力目标应该定为：能耗要降到绿电量能够持续支撑；成本要降到转化物能够抵偿有余。降低能耗和成本，关键是技术创新。不仅是单项技术的提高，潜力更大的是路线集成。
■■当前CO2捕集与资源化的
主要技术路线和问题
1、液态胺捕集CO2—氢气还原合成甲醇路线
美国科学家乔治·奥拉1994年获诺贝尔奖后提出CO2—甲醇—CO2循环新概念，2005年出版专著《跨越油气时代：甲醇经济》。其基本概念是以液态胺为捕集剂捕集CO2，用可再生能源电解产生的氢气还原CO2合成甲醇，甲醇用作燃料（或转化为多种有机物）生成CO2和水，形成一个绿色能源循环。甲醇能量密度高于H2，易于储存运输，安全性远高于氢。因此，认为“甲醇经济”优于“氢经济”。
此路线已为各国普遍采用。最早是2015年的冰岛。2020年1月中国科学院大连化物所李灿院士团队在甘肃建成我国第一座用绿氢制备甲醇年产1000吨的示范工厂。同年7月，中国科学院上海高等研究院与两家企业合作开发建成5000吨/年工业试验装置。中国科学院大连化物所与中煤集团在内蒙古开建年产10万吨甲醇工厂，据称，电价0.2元/度时，经济性可与煤制甲醇持平。
现通行的此路线中，液态有机胺有流失、污染环境的问题；加热捕集物分解出CO2需耗热能，捕集每吨CO2约需4GJ。采用多元有机胺吸收剂,初期热耗2.4GJ/吨CO2，后期增加至2.8-3.2GJ/吨CO2。再者，CO2的捕集与转化分头进行，工序多，整体能耗高。其中，电解水制氢能效不足70%。在高温—高压—催化剂下，用氢气还原CO2为甲醇，能量转换效率约60%。
2、固态胺捕集剂—氢气还原一体化路线
乔治·奥拉后期提出纳米SiO2或Al2O₃上的多乙烯亚胺新捕集剂，功能与液态胺相同，优点是挥发性和水溶性极低，可减少有毒有机胺的流失；反应比表面积大，效率高；捕集剂参与CO2的转化反应，省去解析CO2和CO2气体储运的能耗。
2016年他们首次采用含钌的催化剂，将从空气中捕集的CO2在约150℃条件下直接转化为甲醇，甲醇自行脱出，转化率高达79%。但是，十年来未见大动静。
此技术存在四个问题：一是长期循环中亚胺基会氧化降解；加热会降低纳米载体稳定性；二是电解水制氢独成工序，耗能多；三是氢气储运费地、费事，还有安全隐患；四是需解决氢气与固定床的大规模气—固传质传热工程问题。
■■近10年CO2转化技术新发展
——电解还原
新的电解还原技术具有环保的操作条件、直接使用可再生电力等优点。其发展经过以下几个阶段：
第一阶段：电解还原气态CO2。将CO2气通入电解槽在阴极表面还原，不同条件可产生CO或不同的有机物，并省去电解水制氢。但CO₂须经气—液—固传质，利用率不高；而且大量未转化的CO2气与产物分离很耗能；生产分割为捕集—解析—压缩—电解四个工段，相应的设备多、造价高、耗能多。
第二阶段：电解还原碳酸氢盐。主要是大量基础性研究。配制碳酸氢钾、钠、锂等溶液，用作电解的碳源，研究多种催化剂及其反应机理，生成合成气及甲醇等含碳化合物，主要目的是避开CO2气体利用率低的问题。
第三阶段：一体化CO2捕集—电解还原生成合成气。用碳酸钾水溶液捕集CO2成碳酸氢钾，碳酸氢钾在阴极电解还原转化为合成气，同时再生碳酸钾，在气液分离器中分离后，碳酸钾溶液返回用于捕集CO2；无需单独电解水制氢。但与电解水制氢一样，在阳极产生氧气。
总反应式：2KHCO₃+H₂O→K₂CO₃+CO+2H₂+1.5O₂
如此，形成碳酸钾的“捕集—转化—再生”循环，无CO2的解析和压缩等步骤，同时解决了CO2利用率低的问题。阴极如用碳载催化剂分子，KHCO₃溶液转化生成CO，选择性高。
山东大学2025年9月发布消息称，从烟道气中捕集—电化学一体化转化CO2的能耗为1990kJ/molCO，比捕集—电解转化两者独立途径的能耗3440kJ/molCO减少了40%。
但是，阳极产生氧气，还存在两个问题：一是阳极析氧理论电位1.33V，再加上过电位很高，实际高于1.84V，因而需提高电解槽电压，能耗高；二是高电压下阳极和隔膜腐蚀较严重。另外，在阳离子膜电池中氧阳极需用铱作催化剂，稀贵！
■■碳酸钾捕集—电解还原—零析氧
一体化技术路线（ICEZO路线）
ICEZO是Integrated technical route, Carbonate capture, Electroreduction, Zero oxygen evolution, 及Organic anodic oxidation五词组的缩写。
我们整合上述2024年前的技术，并嵌入20年前我们在“储能—有机合成双功能液流电池”研究的成果——阳极不析氧气，而用阳极氧化有机物，既提能效，又出有价物——形成一条“碳酸钾捕集CO2—阴极电解还原CO2生产化工原料—阳极不析氧而生产高值有机产物”的一体化新技术路线。如图二所示，正极和负极同时产出两份产物，提升产值。而且主要装置只有捕集塔和电解槽，投资减少。同时，还需考虑三个问题：
其一，如何实现阳极不析氧气——阳极氧化什么？产生什么？
若要与捕集—阴极转化几亿吨CO2相匹配，必需有几亿吨供阳极氧化的多种原料；而且产物还要有相应规模的销路。这是需要在历史长河中始终不断发展的任务，其结果必然是多原料—多产品—多技术—积木式。
原则上，原料应以有机物为主，无机物为辅；有机原料应是出自生物质，才能零排放；每年几亿吨的生物质只有秸秆，秸秆能产生的还原性物质，量最大的应是葡萄糖。初步设想以下几种可能方案。
方案1.阳极氧化葡萄糖。我国年产7亿吨秸秆，可制取约2.8亿吨葡萄糖，剩余物富含蛋白质，可作饲料或还田改良土壤。
阴极反应：CO2还原为CO（也可同产氢气），用于高炉喷吹，绿色炼铁；也可用作合成气。更换催化剂，CO2还可还原为乙烯、乙醇等化工原料。
阳极反应：葡萄糖氧化产生甲酸；槽电压从析氧反应的2.4—2.8V降至1.8—2.1V，可节能25%—35%。
优势：正负极两个产品提供的总产值可能覆盖从捕集到转化的全部开支。
问题：我国2025年葡萄糖产量仅357万吨，相关有机酸在国内总销量偏小。所以需在CO2捕集量增加过程中，同步不断开拓葡萄糖氧化产物的用途。
方案2.阳极氧化盐水(NaCl)，产生氯气+烧碱，技术成熟，规模达千万吨。
阴极反应：CO2还原为乙醇/乙烯。
阳极反应：2Cl⁻→Cl₂+2e⁻; 电位1.36V，比氧电极低0.48V；还原1吨CO2的同时产出1.1吨NaOH+0.9吨Cl₂。
优势：氯碱工业技术成熟，催化剂廉价，无额外底物成本。
场景：氯碱工业变身为“负碳氯碱工业”，但规模不大，且氯气产量已过剩。
方案3.阳极氧化废液中的尿素(或氨)，产生氮气+甲酸，废物低成本资源化
阴极反应：CO2还原为乙醇；
阳极反应：CO(NH₂)₂+4OH⁻→N₂+HCOOH+3H₂O+4e⁻；电位0.8V，比氧电极电位低0.94V。
优势：阳极底物为工业/农业废物，电位很低，因而能耗很低。
场景：碳捕集+废液协同处理，适合工业园区就近配套，但体量不大。
浙江大学化学工程与生物工程学院已布局研究此路线。
其二，CO2捕集—资源化三路线的区别和比较。
新技术路线（ICEZO）与乔治·奥拉的两条路线对比见表一。
ICEZO路线的优点主要表现为六方面：一是碳酸钾捕集CO2与碳酸氢钾电解还原一体化，不需脱出CO2，不需电解制氢，没有氢气还原CO2的高压、高温作业；简化工艺流程，降低能耗。阳极不产氧气而大节能。二是碳酸钾捕集性能无衰减，循环寿命长。三是储液罐体积小，占地和投资少。四是全部反应在常温常压的水溶液中进行，设备寿命长，维护成本低。五是利用阳极氧化作用，增产高值有机产物，提高收益。六是除去提升自由能的能耗后，可能比奥拉路线一节能60%、比奥拉路线二节能40%以上。
其三，电解液的碱性随KHCO₃转化率而加强——需研制新催化剂。
KHCO₃如完全转化为K2CO₃（和有机产物），理论上生产效率最高，但阴极电解液的pH值会从KHCO₃溶液的8.34升高至K2CO₃溶液的12.16。
实际上，KHCO₃与K2CO₃组成缓冲体系，pH值并非与转化率呈线性关联：转化率从20%到80%，电解液的pH值仅从9.43升高到10.63，即变化在pH=10±0.6范围内。所以,可将转化率控制在20%到80%范围内，研究适用于此pH较窄范围内的新催化剂。
在pH值=10时更有利于C₂类产物的生成，目标物可瞄准乙烯、乙醇、乙醛等重要化工原料。2024年我国乙烯消费6355万吨。乙醇能量密度为23.28GJ/m3，比甲醇高30%。
总而言之，一、阴极电解还原CO2—阳极不析氧一体化技术路线（ICEZO），符合政府文件精神。二、新路线阳极氧化生物质，为CCU从贴钱走向保本、盈利开辟了通道。三、在高pH介质中使用的新催化剂，是新路线变CO2为宝的最关键技术。四、电解槽(包含隔膜)的研究—设计—生产将形成一个高技术产业。五、阳极氧化生物质，将带动秸秆的高值化，有助于提高农民收入。六、要拓展阳极氧化产物的用途，还要研究降低阳极电位的新还原反应。七、CO2的捕集利用将是每年若干万亿元的产业，与人类共存，且不断兴旺。
（作者系中国工程院院士）
