美国化学会C&EN：学会爱上CO2

（原作者：Alex Scott）

CO2，温室气体，全球变暖的“罪魁祸首”，大家恨它都来不及，还有谁会爱它？

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德国联邦教育与研究所的高级科学官Lothar Mennicken就是一个爱CO2的人，他希望能消除人们对CO2的偏见。CO2并不是一个只会引起全球变暖的“问题”化合物，同时，它还是一种来源丰富、价格低廉的化学原料。将CO2转化成有用的产品或燃料还能减少向大气中的排放。因此，近几年，他所在部门已经向那些将CO2转化成化学品和燃料的项目投资了1亿多美元。

这些项目被统称为碳捕获和利用（carbon capture and usage，CCU），但进行过程并不十分顺利。因为要打破CO2的碳氧键必须有足够的能量；而且，将CO2转化为有用的化学品势必要用到氢，而氢的生产相对昂贵。更让人沮丧的是，即使CCU被广泛应用，也不会对气候改变产生很大的积极影响。

下面请看一组数据。

CCU并不依赖化石燃料，因此可作为一种可持续的生产方式来制备化学品和其它材料。同时，还可利用过量的可再生能源进行能源储存，比如将风能转化为化学能。

越来越多使用废CO2的化学过程已经或正准备投放市场。支持者们认为，如果用于研发的公共资金与政府政策相结合，CCU可以很快克服成本障碍，从“小众”技术变成主流技术。当今CCU技术的领先者为丹麦、德国、瑞士、英国和美国的公司和学者。

目前美国的政策也在推动CCU的发展，环保署（Environmental Protection Agency，EPA）正将其作为减少CO2排放的技术手段，并表示在清洁能源计划中，允许使用某些CCU技术以削减发电厂的CO2排放量。

德国也为CCU技术提供资金支持。目前已经从德国资金中受益的准CCU技术包括“dream reaction（梦幻反应）”，其中CO2可作为生产聚氨酯的原料。这一过程由亚琛工业大学（RWTH Aachen University）和Covestro（前身为拜耳材料）共同开发。

Covestro打算于2016年下半年在德国多尔马根建立一家工厂，预计年产量为5000吨的多元醇，一种生产聚氨酯的中间体。其中产量中大约20%的多元醇由附近氨生产厂排放的CO2合成。在Covestro的过程中，CO2在锌基催化剂的存在下与环氧丙烷反应产生多元醇。该过程所用到的另一中间体目前由甲醇衍生，而这在将来也可由CO2制备，Covestro说。

该设施耗资约1,700万美元，一旦生产能力达到商业规模，这项新工艺在经济上就是行得通的，负责这一项目的Christoph Gürtler说到。Covestro还正在开发多种消耗CO2的反应以生产其它聚合物，包括由不饱和polyethercarbonate（PEC）多元醇制成的材料。例如，PEC可用于生产耐溶剂的交联膜，Gürtler说，“这是一类全新材料。”

Covestro工厂是CCU成功例子中的一个，这也能激励其他公司开发CCU技术，Gürtler说。他还预测以多余的CO2为基础的过程将在整个化工行业崭露头角。他说，“CO2将成为一个合理的、能带来盈利的原料。”

虽然Covestro开创了先河，但实际上，它并不是第一家将CO2转化为其它有用化合物的公司。早在150年前，Kolbe-Schmitt反应就将CO2用作反应试剂来生产水杨酸。而大家可能都知道，CO2与碳酸钠反应可以被用来生产碳酸氢钠。

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但最大量的基于CO2的反应是Bosch-Meiser反应，该反应通过CO2与氨反应生成尿素。该反应于1922年发现。到目前为止，每年有约1亿吨的尿素由该反应得到，这也消耗了几乎等量的CO2。

Bosch-Meiser反应的一个更加“可持续”的版本，可能会很快就会在英国沙平赛岛与世人见面。谢菲尔德大学是这个项目的合作伙伴，岛上的300名居民打算使用风力发电机所产生的能量为质子交换膜电解槽供电，以产生氢气。合作双方计划将岛上的威士忌酒厂产生的CO2与氢气反应生成碳中性的合成柴油。同时，氢气也会与空气中的氮气反应生成氨。氨随后与CO2反应形成尿素。

“所有人都很看好它，”Katy Armstrong说，她是英国CO2Chem的网络经理（CO2Chem是一家包括来自世界各地的1100多名学者、企业家及决策者的网络）。事实上，CCU的支持者说，这项技术可以解决来自可再生能源的输出波动问题，例如风能和太阳能发电场。多余的电力可以促进CO2为主的化学反应产生化学或燃料，来存储能量。

用这样的方式，CCU可以鼓励可再生能源的部署，Nova Institute的负责人Michael Carus说，Nova Institute是德国一家为生物材料和CCU提供技术支持的公司。

像苏格兰岛民一样，德国技术开发的Sunfire也力求将多余的可再生能源储存在化学物质中。目前该公司已开发的固体氧化物燃料电池产生氢气，与废物CO2发生反应得到烃类燃料。当可再生电力供应不足时，比如阴天或无风的日子里，这个过程可以逆转，使用燃料转换为电力。

“这可以稳定电网，但它并不能替代化石燃料，”Christian von Olshausen说，他是Sunfire的首席技术官。该公司于2014年11月启动了一个试点工厂，并于近期收到波音公司的120千瓦的可逆固体氧化物燃料电池系统的订单。

与沙平赛岛项目的免费电力不同，Sunfire不得不为制氢支付电费。在一般情况下，von Olshausen预计CO2为基础的燃料总会比化石燃料更加昂贵，并需要资金支持。他坦率地承认，如果没有支持可再生燃料的政策，那么他们可能不会再有订单。

制氢的成本也是荷兰CCU初创公司Antecy的最大障碍，他们计划用光伏供电电解水产生氢气，并使之与废CO2反应生成甲醇。如果Antecy希望销售的甲醇价格可以与标准的价格靠近，这意味着他们不得不削减电解成本，该公司的研发经理Timo Roestenberg坦言，但目前Antecy还不具备这类技术。

计划产生氢气的CCU企业面临着巨大的挑战，据Mar Pérez-Fortes说，她是欧洲委员会（EC）联合研究中心的博士后研究员。在生产甲醇的过程中，如果电解水最终得到甲醇，那么CCU的花费为每吨1500美元，而标准天然气路线生产甲醇所需要的花费每吨仅为400美元。同样，通过CO2为主的路线生产甲酸将花费每吨2,900美元，而通过石化路线则仅需要745美元。这样看起来，CCU丝毫不占优势。“唯一的解决办法是电的价格为零，”Pérez-Fortes说。“这需要更多的研发工作，以及可再生能源。”

CCU的支持者指出，冰岛的Carbon Recycling International（CRI）公司利用CO2生产甲醇已经能够将制氢成本降到极低。CRI的诀窍是用当地便宜的地热和水电来为三个电解槽供电，以此制得每年所需要的800吨的氢气。CRI开发了一种高效低温催化剂，能够将H22和CO2转化为水和甲醇。其中甲醇被蒸馏出来，而水则被循环使用。

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马萨诸塞州的初创公司Joule Unlimited有着完全不同的技术，它基于蓝藻的光合作用生产燃料和化学品。该过程不需要分解水产生氢气，但Joule仍需要政府支持，以填补从项目论证到成功商业运营之间的差距。

Joule的技术涉及在透明管泵送蓝细菌的遗传工程菌株，这样他们可以将太阳光、废CO2和非饮用水直接转化为燃料如乙醇和煤油，或生成类似于棕榈油或椰子油的C12脂肪酸。在该过程中不需要糖或其它化学添加剂。“我们正试图实现工业化的光合作用，”该公司的业务发展总监Kees van der Kerk说。Joule拥有一支在Hobbs由135名员工组成的团队，主要消耗从水泥厂中排放的CO2。 “我们非常有信心两年内实现商业化，”van der Kerk说。

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Joule已经收到了2亿美元的私募股权投资和风险债务融资。但是，该公司的技术缺乏竞争力。Joule估计，它的第一个商业化工厂生产1加仑燃料需花费3-8美元，而传统路线每加仑仅需要1.5美元。“因此，我们需要某种过渡性融资，”van der Kerk承认。

当然，化学也可以提供高性价比的CCU技术，可避免使用氢气，约克大学教授Michael North认为。在North的实验室中，目标分子是CO2基的环状碳酸酯，可应用于溶剂、聚合物、化学中间体以及锂离子电池的电解质。他们在20世纪50年代进行商业化，现在为Huntsman Corp。

通常情况下，环状碳酸酯是在卤化物类催化剂的存在下在高压高温下生成的。不过，为了使这个过程更便宜方便，North和他的团队已经利用铝催化剂与Salen配体的混合物在室温下于实验室成功地合成了碳酸酯。North的项目是CyclicCO2R的一部分，这是由欧盟资助的一项为期四年的研究项目。CyclicCO2R由20名科学家组成，获得包括来自欧盟的400万美元以及包括Evonik Industries和Iceland’s CRI在内的工业合作伙伴的150万美元的资金支持。

虽然North的化学反应能得到经济上可行的产品，但消耗足够多的CO2对全球气候变暖的影响仍然很微小。全世界仅仅是燃煤发电厂就能每年产生超过140亿吨的废CO2。而完全基于CO2的化学工业仅仅需要3亿吨的CO2，North教授说。

但并不是所有人都看好CCU。其中一个怀疑者是伦敦帝国学院的清洁化石及生物能源研究小组的化学工程师Niall Mac Dowell。“唯一明智的做法是封存CO2，即CCS，”Mac Dowell说。“在防止气候变化的问题上，CCU很可能会偏离原本的目标。”CCS每吨CO2需花费50-100美元，不过前期投入较大。与CCU不同，它不产生任何工业化学品以抵消其成本。但即便缺乏终端产品，CCS也不会比CCU逊色多少，因为社会的目标是阻止全球变暖，而不是出售化学品赚钱。

还有人说，CCU不应局限于化学品和燃料。他们声称，可以考虑将大量的CO2长期封存于建筑材料中。

英国的初创公司Carbon8已经将废CO2用于建筑骨料的方法商品化。据总经理Paula Carey说，该公司是盈利的。Carbon8将CO2与废渣相结合，通过严格控制反应条件，在水的存在条件下，CO2迅速与残渣形成碳酸钙。碳酸钙随后与填料和粘合剂混合，其中更多的CO2充入到粘合剂中，最终在造粒机中产生粒料。其中大部分颗粒最终用于建筑和建造。

除了生成销售其最终产品，Carbon8给供应商的价格为每吨废渣190美元，这远低于他们将垃圾进行填埋的价格。

Carbon8目前在布兰顿的设施每年处理25,000吨的废弃物，并消耗2,000吨的CO2。CO2由距离Carbon8工厂20英里的一家甜菜工厂得来。但讽刺的是，CO2花费占Carbon8成本的25％。“这非常昂贵，因为我们要购买高纯度的CO2。我们不能液化不纯的气体，”Carey说。

该公司在英格兰布里斯托尔附近设立了一个新厂，这里将每年处理40,000吨残渣，消耗4,000吨CO2。Carbon8计划未来两年在英国建立至少三个工厂。“我们也对英国以外的地区很有兴趣，包括美国，”Carey补充道。

欧洲更有利的CCU政策很可能在未来一年左右出现，欧盟的运输政策单位高级管理员Andreas Pilzecker说。欧盟的目标是在2030年前将CO2排放量减少40％。

除了传统的项目资金，欧盟将为具有CCU技术的欧洲公司提供230万美元的基金。而总部位于加州的XPrize基金会为CO2捕获并将其转化为高值产品的技术提供2,000万美元的大奖。

这些奖项将有助于把废CO2转化为全新的产品，英国谢菲尔德大学CO2捕获中心的主任Peter Styring说。“这会避免想法停滞不前，也会激励更多的人进行思考，2,000万美元并不是个小数字。”

http://cen.acs.org/articles/93/i45/Learning-Love-CO2.html