如何處理CO2，幾篇NS教你思路（內含Nature專訪）

春國 1年前 (2022-07-02) 2412瀏覽

隨著時代的進展，全球人民對氣候變暖等國際環境已經越來越重視，1992年《聯合國氣候變化框架公約》簽訂和1997年《京都議定書》簽署，第一階段氣候變化的履約時代于2012年結束。2016年的《巴黎協定》簽署，標志著全球履約時代到來。根據《巴黎協定》，“把全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上低于2℃之內，并努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5℃之內，同時認識到這將大大減少氣候變化的風險和影響”。由此，很多國家都在國際層面上宣布要在2050年前后做到碳中和。

全球氣候變暖的主要原因的二氧化碳的排放，解決方法是二氧化碳含量的降低。減少碳排放是一項全球性挑戰，也是全球科學家和學者的目標。由NCBI數據庫檢索結果可以知道，從2016年《巴黎協定》簽署之后，全球的研究者對二氧化碳的研究正在逐步上升，也不斷有令人震驚的成果被報道出來。最近幾篇NS的發表或許能夠給大家提供一些思路。下面，將為大家解讀這些重量級研究成果。

  1. 通過微生物可將CO2轉化成甲烷從而增加CO2的封存

來自牛津大學的Chris Ballentine教授帶領一個國際合作團隊，通過展示來自Olla油田（美國路易斯安那州）的CO2?-EOR項目的惰性氣體、穩定同位素、聚集同位素和基因測序分析。他們將其（生物）地球化學成分與鄰近的 Nebo-Hemphill 油田進行了比較，后者并沒有使用CO2?-EOR方法。數據表明，微生物產甲烷作用將多達13-19% 的注入CO2轉化為甲烷(CH4)，另外多達74%的CO2溶解在地下水中。這是由于甲烷的可溶性、可壓縮性和反應性都比二氧化碳低。

這項研究是第一個將最先進的同位素示蹤劑（惰性氣體和穩定同位素數據）與微生物數據結合起來，研究二氧化碳的實驗。科學家認為，未來我們可以在碳捕獲與封存選址時把它考慮進去。

具體研究成果以“Rapid microbial methanogenesis during CO2 storage in hydrocarbon reservoirs”為題發表于Nature上。

圖1 Olla和Nebo-Hemphill油田以及注入二氧化碳的黑湖油田的位置。

  1. 利用太陽能將CO2和H2O轉為CO和H2用于合成燃料

由于航空和航運CO2排放量占8%的人為二氧化碳排放,而且旅游業和全球貿易增長也將進一步加劇這個情況。其中一個解決方案是燃料(由太陽能驅動的過程中從H2O和CO2制成的石油、汽油或柴油等石油來源的液態烴燃料的合成替代品)。在許多可能的方法中,使用集中的太陽輻射作為高溫過程熱源的熱化學路徑提供了潛在的高生產率和效率,如果需要的二氧化碳直接從大氣中得到,就可以實現真正的碳中和燃料。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Steinfeld Aldo等研究人員開發了一種用陽光和空氣生產燃料的實驗系統，且該系統能在日常條件下運轉。該系統由三個關鍵單元組成：1. 直接空氣捕獲裝置，能從空氣中提取二氧化碳和水；2. 太陽氧化還原裝置，能利用太陽能將二氧化碳和水轉換為一氧化碳和氫的混合物（合成氣）；3. 氣轉液裝置，能將合成氣轉換為液態烴或甲醇。

碳中和的燃料可以通過陽光和空氣進行示范,這是一個重要的里程碑。在適當的政策支持下,這對航空部門的長期脫碳至關重要。

具體研究成果以“Drop-in fuels from sunlight and air”為題發表于Nature上。

圖2 簡化的太陽能燃料系統工藝鏈。

  1. 通過金屬有機框架對CO2進行吸附

大多數用于捕獲化石燃料燃燒的二氧化碳 (CO2 )的材料，例如胺類，都依賴于高度選擇性的強化學吸附相互作用，但釋放CO2會導致大量能量損失。加拿大卡爾加里大學George K. H. Shimizu團隊表明鋅基Calgary Framework 20 (CALF-20金屬有機骨架材料可以物理吸附CO2并產生較低的再生損失。它在孔隙中心的結合位點排除了水分子之間氫鍵網絡的形成。這種耐用的材料可以在40%的相對濕度下優先吸附CO2，并在150℃的煙氣條件下保持其性能。

在碳捕獲和氣候變化方面，有效捕獲只是減少溫室氣體的一個步驟，但是非常重要的一步。目前CALF-20正在加拿大Lafarge-Holcim水泥廠的CO2MENT項目中，進行每天一噸二氧化碳捕獲的工業試驗，它也是世界上第一個工業示范的MOF材料。

具體研究成果以“A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture”為題發表于Science上。

圖3 可擴展的金屬有機框架作為二氧化碳捕獲的耐用物理吸附劑

  1. 通過酶的作用將CO2轉化為淀粉

淀粉是碳水化合物的一種儲存形式，是人類飲食中熱量的主要來源，也是生物工業的主要原料。中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和團報道了一種在無細胞系統中從二氧化碳(CO2)和氫氣合成淀粉的化學-生化混合途徑。人工淀粉合成途徑(artificial starch anabolic pathway, ASAP)由11個核心反應組成，通過計算途徑設計，模塊化組裝和置換建立，并對3種瓶頸相關酶進行蛋白質工程優化。在一個具有時空分離的化學酶體系中，ASAP在氫的驅動下，每毫克總催化劑每分鐘可將CO2轉化為淀粉，比玉米淀粉的合成速率高約8.5倍。

這是世界上首次在實驗室實現二氧化碳到淀粉的從頭合成，代表著人類人工合成淀粉領域的重大顛覆性和原創性突破，對于糧食安全、外星探索、氣候變化都有著巨大意義。

具體研究成果以“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”為題發表于Science上。

圖4 二氧化碳無細胞化學酶促淀粉合成

  1. Nature專訪：將工業 CO2轉化為電池燃料（中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學物理系曾杰教授）

編者：您目前的研究階段是什么？

曾杰：我研究如何利用電能將水泥、鋼鐵和石化廠釋放的二氧化碳轉化為液體燃料和化學品。而且我們團隊已經測試了幾代技術，該技術結合了催化劑和電化學裝置，從CO2和水中制造甲酸——一種簡單的天然酸。這種酸可以用作電池的燃料來源。在2021年，我們開發了一種基于銅合金的催化劑和一種使用固態電解質的電化學裝置。這些結合使我們能夠生產出無需分離和純化即可立即使用的純甲酸溶液。

編者：您是如何開始這項研究的？

曾杰：我在中國河南省商城縣的一個農村長大。我父親沒有受過高等教育，但經常發明可以讓我的家人生活更輕松的工具。我認為他在我心中播下了創新的種子。

2008年至2011年，我在中國科學技術大學獲得凝聚態物理博士學位，然后移居美國，在密蘇里州圣路易斯的華盛頓大學從事博士后研究。2012年，我回到中國科學技術大學進行自己的獨立研究。 . 我決定專注于使用化學催化過程來阻止CO2成為環境負擔，并將其轉化為自己的資源，而不是將其作為廢物留下。

編者：您研究的下一步是什么？

曾杰：我們將專注于擴大我們的技術以生產更多的甲酸，以便盡快在工業規模上進行商業應用。我們希望與大型碳排放公司合作，例如水泥廠和火力發電廠。來自世界各地的組織都與我們聯系——既有積極尋找解決方案并關注最新技術進步的大型碳排放國，也有有興趣購買我們的燃料和化學品的公司。

編者：中國科技大學如何支持碳中和技術的研究？

曾杰：2020年9月，中國國家主席習近平制定了在2030年前達到排放峰值并在2060年前實現碳中和的目標。這為國內從事CO2轉化領域的研究人員提供了機會。

我們團隊的項目主要由國家自然科學基金委、科技部、中科院和部分企業資助。我們每年收到大約1000萬至2000萬元人民幣（157萬美元至314萬美元）。可以說，自從習主席宣布后，更多的資金已經到位。

 

成果啟迪

由于全球變暖相關的可預見的和巨大的損害，大氣中CO2的持續積累是一個重要的問題。近年來，人們進行了巨大的研究努力來遏制這一現象。研究人員正在探索利用溫室氣體（即CO2）的不同可能性，其中捕獲和轉化是兩種主要處理方法。未來的研究有必要考慮各種材料的獨特性能，并將其應用擴展到CO2捕獲和儲存領域。而且CO2的再生與再利用：隨著CO2捕集量的增加，開發新的CO2封存技術至關重要 或將其轉化為可用的材料。

 

 

  1. Tyne, R.L., Barry, P.H., Lawson, M. et al. Rapid microbial methanogenesis during CO2 storage in hydrocarbon reservoirs. Nature 600, 670–674 (2021).
  2. Sch?ppi, R., Rutz, D., D?hler, F. et al. Drop-in fuels from sunlight and air. Nature 601, 63–68 (2022).
  3. Lin, J.-B. Nguyen Tai, T. T. Vaidhyanathan, R. et al. A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture. Science 2021, 374 (6574), 1464-1469.
  4. Cai, T. Sun, H. Qiao, J.et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science 2021, 373 (6562), 1523-1527.
  5. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00803-2
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