无机材料学报 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (1): 1-2.DOI: 10.15541/jim20211001
所属专题: 【能源环境】CO2绿色转换
• 专栏: CO 2 绿色转化(特邀编辑: 欧阳述昕, 王文中) • 下一篇
OUYANG Shuxin1(), WANG Wenzhong2()
摘要: 全球工业化水平的持续提升加速了煤、石油、天然气等化石燃料的消耗, 大量二氧化碳(CO2)被排放进大气, 导致全球变暖和生态失衡, 削减CO2排放、将CO2资源化成为亟需解决的问题。2010年前后, 美国、欧洲、日本相继开启以“人工光合成”为题的国家级科研项目, 投入经费均在1亿美元以上。2011年起, 我国国家自然科学基金委、科技部相继资助了相关项目。2020年9月, 我国政府进一步提出力争在2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的目标。
绿色植物或部分微生物通过“光合作用”将CO2和H2O转化为有机物, 而通过催化剂在光能驱动下将CO2与H2O/H2转化为燃料或化工原料, 正是模拟了自然界的“光合作用”, 被称为“人工光合成”。当然, CO2的转化并不局限于太阳能驱动, 利用非化石燃料产生的电能(如太阳能、风能、水能等)高效率驱动电催化、热催化CO2还原也是可行途径之一。目前, 基础研究的热点是光催化、光热催化以及电催化CO2还原, 这类具有能耗低、环境负荷小、反应效率高等至少一个特点的技术途径均属于“CO2绿色转化”的范畴, 在未来工业化应用中具有较强的竞争力。
近年来, 有关CO2转化的研究突飞猛进, 但是仍面临一些关键性问题亟待解决。光催化途径利用最为温和的方式(常温、常压)将CO2转化为燃料或者化工原料, 但是在反应效率和稳定性等方面还面临着巨大挑战。光热催化途径于2014年被报道之后, 引起了广泛关注, 它利用金属纳米粒子或窄带隙半导体材料进行光能到热能的转换进而驱动热催化反应。相比光催化, 光热催化CO2还原的效率和稳定性得到显著提升, 但是需要消耗氢气(H2)提供氢源, 应用中会造成生产成本上升。相比前两种方式, 电催化CO2还原也比较温和, 其能量利用效率最高, 但是由于其反应环境为水溶液, CO2还原与质子还原的竞争不可避免, 提升产物的选择性面临瓶颈, 液相或者气相产物的分离在一定程度上会增加生产成本。CO2转化的经济性还需要考虑产物的附加值, 光催化、电催化的产物主要集中在C1产物(主要包括一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸盐等), 也有少数研究报道能够产出乙烷。光热催化途径则较有优势, 以CO2和H2为原料的费托合成可以生成C2-C7产物。可见, 各种技术途径各具优势, 但又面临不同的科学或技术困难, 在未来应用中可能互为补充、在不同应用领域各展所长。
尽管co2转化的研究取得了长足进步, 但是仍面临较多的挑战。在我国提出“碳达峰”、“碳中和”的目标不久, 《无机材料学报》编辑部即着手策划“CO2绿色转化”专栏。期待我国更多的科研工作者能够投入这项研究并加强合作, 推动其从基础研究快速步入应用研究, 并最终实现工业应用, 使我国由碳排放大国转变为CO2资源化利用的强国!