碳捕获和零排放之路

二氧化碳 (CO₂) 对地球及地球生物的影响是非常矛盾的。虽然二氧化碳对动物和人类赖以生存的所有地球植物都至关重要，但是，大气中过多的二氧化碳正导致全球变暖，威胁到某些生物的生存。  

由化石燃料燃烧增加导致的 CO₂ 排放问题，可追溯至某些国家开启工业革命的18世纪。 目前科学家们预计：到 2030-2052 年，全球平均气温预计将上升 1.5^oC（图 1）。 工业化、城市化和急剧增加的世界人口加剧了 CO₂ 排放量的增加（图 2）。

2015年《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方会议(COP21)确定了一项雄心勃勃的目标，即到2050年实现“零排放”。 要实现在30年内完全消除净碳排放这一重大目标，需要对全球工业加工方法和各国使用的常规能源进行变革。 实现这一目标的更广为人知的方法包括各种可持续发电方式，如风能和太阳能；然而，还有一种宣传较少但同样重要的方法是在源头或直接从大气中捕获 CO₂（碳捕获）。 碳捕获相关技术受到高成本和有限的储碳能力的限制，因此目前全球 CO₂ 排放量中目前只有 0.1% 被封存；预计到 2050 年这一比例将升至19%。 近年来，碳捕获技术的研究有所增加，但迄今为止，只有少数技术得到了商业应用。 随着公众预防或减少气候变化的意识和紧迫性的提高，开发更有效的碳捕获技术势在必行。

CAS 内容合集™ 中的碳捕获内容

CAS 内容合集™ 是全球最大的利用科学家人工标引的已发表科学信息内容合集，适用于对全球科学出版物进行定量分析，如：发表时间、研究领域、配方、应用以及化学成分等。 为了评估最近和正在进行的碳捕获研究，在 CAS 新出版的一份重要的洞察报告中，提供了碳捕获研究的最新趋势概述。 在该洞察报告中，对最近的碳捕获研究进行了全面的趋势分析（2000 年至 2021 年间出版的约 18,500 份出版物），详细列举了碳捕获相关的术语，包括所采用的方法、碳储存或碳转化，这些术语通常与大气 CO₂ 或其环境影响相关的术语结合使用。

主要研究趋势及碳捕获方法

文献分析表明，2008 年之后，所有碳捕获和存储相关出版物的数量都迅速增加，在 2010 年代中期之后有所放缓，但最近又开始增加。 这可能反映了当前的经济状况和碳捕获的紧迫感，但似乎也与油价有关。 当油价较低时，碳捕获显得过于昂贵，因此在二氧化碳封存和储存方面的努力有限。 该分析只检索到了少量（占相关文献总量 10%）碳捕获相关专利，表明该技术的商业利益较低；不过，近来的情况令人鼓舞，专利数量有了急剧增加。
捕捉碳的各种方法可归为四大类：材料科学、生物、化学和地质方法。

材料科学方法

图 3 和表 1 总结了材料科学相关流程，包括烟气碳捕获系统。 其中，燃烧后碳捕集 (Post-combustion Capture) 技术应用最为广泛，适用于现有发电厂烟道改造，但需要消耗大量能源，因此运行成本很高。 新兴方法“直接空气捕获”有望得到广泛应用，此方法直接从空气中捕获 CO₂，但由于大气中 CO₂ 的浓度较低，因此难度更高并且成本高昂。

表 1. 材料科学方法：CO₂ 捕获过程比较

表 2 总结了烟气碳捕获的主要方法， 包括使用碱性溶液的化学吸收法和使用甲醇或 Selexol 等非腐蚀性溶剂的物理吸收法。 其他方法包括已被较充分地研究了的利用多孔固体吸附剂的吸附法，还包括作为新兴技术的膜过滤法，但是膜过滤法由于CO₂ 分离效率低，尚未得到广泛应用。

表 2. 材料科学方法：CO₂ 捕获方法比较

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生物方法

碳捕获的生物学方法主要是利用光合作用，光合作用贡献了地球上最大的 CO₂ 吸收。 木材或藻类等各种植物材料被转化为生物燃料（生物质）进行燃烧，创造了碳中和及可持续的方法。 基于酶的技术具有替代生物系统的潜力。 其中一个重要的例子是 1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (RubisCO) ，——一种含量丰富并被广泛研究的酶。 然而，RubisCO的CO₂ 捕获速度较慢，但提升 RubisCO 的活性以创建工业可行工艺的研究工作正在进行。

化学方法

也包括多种化学方法，如涉及氢还原的催化过程，其已在数吨级的规模上有了广泛的应用。 其他广泛使用的方法包括电化学工艺法，这种方法利用质子和催化剂来减少 CO₂。 使用清洁能源的光化学、光热和光电化学方法也前景光明，但到目前为止，这些方法受到光电转换效率的限制。 基于等离子体的方法也很有潜力，但能源需求量大，且仍需进一步开发才能用于碳捕获。

地质方法

碳捕获的地质方法是在远离大气层的位置长期储存 CO₂ 的重要解决方案。 可将捕获的 CO₂ 进行压缩和运输，然后注入深层多孔地质层或盐碱含水层。 此方法可储存数十亿吨 CO₂，但选择合适的地点至关重要。

CAS 碳捕获文献分析

CAS 文献分析显示，2007 年之前有关 CO₂ 捕获的出版物数量较少，随后在 2010 年代初增速达到峰值，然后趋于稳定（图 4）。 关于燃烧前和富氧燃烧的出版物较少，这很可能是由于在适应当前设施方面存在经济困难，但最近这些出版物的数量有所增加。 相关专利申请在 2012 年有所增加，然后趋于稳定，这表明其商业利益持续存在。

CAS 分析还表明，在过去六年中，关于各种 CO₂ 化学转化方法的出版物相较之前迅速增加（图 5）。 其中，甲烷化、等离子体介导工艺和逆水煤气变换方法的相关研究最多。

出版物数量表明对 CO₂ 固定的生物学方法的研究迅速增加，但专利申请数量保持稳定，这表明少数技术已做好商业化准备（图 6）。 然而，关于生物质能结合碳捕获与封存 (BECCS) 的出版物数量表明存在大量相关研究。

与 CO₂ 地质封存相关的出版物数量稳步增加，并在 2013 年达到顶峰，但此后有所下降（图 7）。 近年来，通过“含水层”、“盐碱”、“卤水”、“页岩”和“包合物”等术语检索出的出版物要多于其他术语，这表明关于这些类型封存的研究更多。

梦想照进现实

CAS 对 18,500 篇出版物进行的文献分析结果表明，有关各种 CO₂ 封存方法的研究正在迅速增加。 目前还没有一种方法成为主流；得到广泛应用的技术还很少，但分析表明，已针对现有技术的利用和新技术的开发开展了大量研究。 专利申请数量虽然少于文献数量，但仍可看出某些技术具有商业价值。 最近的分析结果可能反映了公众越发认识到全球变暖问题，展开应对行动势在必行。 随着形势越发紧迫，相关研究活动与经济状况和石油价格之间的明显相关性可能会减弱。 根据 CAS 分析得到的出版物发表趋势，在日益严峻的全球变暖问题的推动下，研究和技术部署可能会以惊人的速度展开，这在 2000 年看来像做梦一般。

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