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这是一个非常前沿且重要的领域,碳利用（Carbon Capture and Utilization，CCU）制化学品，旨在将二氧化碳（CO₂）从“无用的废气”转变为“有价值的碳原料”，是实现碳中和及循环经济的关键路径。
这一领域的技术进展迅速,主要集中在热催化、电催化、光催化、生物转化和矿化等方向，以下是主要技术路线和最新进展的梳理：
技术路线与主要化学品
根据反应途径和化学键的难度,碳利用制化学品可分为两大层次：
低能量化学品（已大规模商业化）
- 尿素：CO₂与氨反应，这是目前CO₂利用量最大的化学产品（全球年利用量约1.5亿吨CO₂），技术成熟。
- 碳酸二甲酯：用作锂离子电池电解液溶剂、绿色化工中间体，技术相对成熟，但生产成本仍高于传统路线。
- 聚碳酸酯：利用CO₂替代部分石油基原料生产塑料（如科思创的cardyon®技术）。
- 水杨酸：已实现大规模生产，其中CO₂作为原料使用。
高能量化学品（核心突破方向）
- 甲醇：通过CO₂加氢制取，被视为“液态阳光”的核心，可作为燃料、制烯烃（MTO）或制芳烃的原料，目前有多个中试和商业化示范项目（如冰岛CRI的George Olah工厂、中科院大连化物所项目）。
- 合成气：CO₂与甲烷干重整或与氢气反应制合成气（CO+H₂），用于费托合成制油品、化学品。
- 低碳烯烃：通过CO₂加氢直接制乙烯、丙烯，这是当前竞争最激烈的方向，固体催化剂需在高活性、高选择性（抑制甲烷）和长寿命间取得平衡。
- 芳烃/汽油：通过CO₂加氢与分子筛耦合，一步法制芳烃（如中科院大连化物所、山西煤化所成果）。
- 甲酸：CO₂电催化还原制甲酸，是电化学路线中法拉第效率最高的产品之一，但分离成本高。
- 乙醇/高级醇：通过电催化或热催化耦合反应制取，是合成燃料和化学品的关键平台化合物。
核心技术最新进展
热催化（最成熟的非商业路线）
- 催化剂突破：铜基催化剂在CO₂加氢制甲醇领域，通过添加ZnO、ZrO₂、In₂O₃等助剂，显著提升了低温活性和选择性（甲醇选择性>99%），中科院大连化物所团队开发的ZnZrOx催化剂可在240°C、3MPa下实现超90%的CO₂单程转化率和99%的甲醇选择性。
- 工艺集成：多段反应与热集成，CO₂与绿氢（电解水）耦合，实现全流程零碳足迹，典型的商业化瓶颈在于绿氢成本。
- 制乙烯：中科院上海高等研究院团队实现了铁基催化剂在CO₂加氢制乙烯（>40%选择性，副产物CO<30%）的突破，有望替代传统石脑油裂解。
电催化（最具潜力的动态调控路径）
- 催化剂设计：单原子催化剂、铋基催化剂、铜基合金催化剂等，通过调控催化剂表面电子结构和微观形貌，大幅提升CO₂还原为乙烯、乙醇、甲酸的法拉第效率（已能在电流密度>1 A/cm²下实现>80%的法拉第效率，接近工业化门槛）。
- 反应器放大：从实验室的H型电解池发展到工业级的膜电极反应器（MEA）和流动电解池，解决了传质和欧姆压降问题，电流密度提升至数百mA/cm²，初始运行寿命超过1000小时。
- 商业化样板：丹麦Again公司（CO₂制甲酸）和加拿大Carbin（CO₂制高价值醇类）均已有吨级中试装置，目标成本与化石路线持平。
生物转化（温和、高选择性路线）
- 合成生物学驱动：改造蓝细菌、酵母或产醋杆菌，使其直接利用CO₂（或CO₂衍生的甲酸、甲醇）生产化学品，利用工程化大肠杆菌将CO₂转化为丁二酸（BASF与L9C合作）；利用梭菌发酵CO₂和H₂生产乙醇。
- 酶催化：固定并稳定化二氧化碳还原酶（如甲酸脱氢酶），在常温常压下高效催化CO₂还原为甲酸，选择性接近100%。
光催化（终极理想，但效率低）
- 人工光合成体系：模仿植物光合作用，利用光催化剂吸收可见光驱动CO₂与水反应生成甲醇、甲烷或碳氢燃料。
- 材料突破：氮化碳（g-C₃N₄）、Z型异质结催化剂（如Cu₂O/In₂O₃）将太阳能-化学能转化效率提升至>1%（仍远低于光伏+电催化路线的15-20%）。
产业示范项目进展
- 冰岛CRI（Carbon Recycling International）：全球首个商业化CO₂制甲醇工厂（年产能4000吨），利用地热发电制氢，已连续运行超10年。
- 中国：中石化、中科院大连化物所、延长石油等企业在陕西、河北、新疆等地建成多套千吨级至万吨级CO₂加氢制甲醇/汽油/芳烃示范装置。
- 欧洲：Power-to-X项目（如德国C2V、丹麦Haldor Topsoe等）聚焦于电催化+生物发酵耦合制高价值化学品。
- 美国：Twelve（CO₂制航空燃料、乙醇）、LanzaTech（钢厂废气CO₂发酵制乙醇）已获数亿美元投资，与航空、化工巨头签订长期采购协议。
关键瓶颈与未来方向
| 瓶颈 | 当前挑战 | 突破方向 |
|---|---|---|
| 绿氢成本 | 电解水制氢成本（4-6 €/kg H₂）远高于灰氢（1-2 €/kg H₂） | 电解槽效率提升（PEM、阴离子交换膜）、核电/风光耦合 |
| CO₂来源与纯度 | 捕集能耗高（占CCS总成本的60-80%），低纯度CO₂影响催化效率 | 直接空气捕集（DAC）成本下降；膜分离技术 |
| 催化剂稳定性 | 现有催化剂在工业电流密度下易失活（烧结、碳沉积） | 原位表征、机器学习辅助催化剂设计 |
| 产品经济性 | 大多数化学品（如甲醇）价格低于传统化石路线 | 碳税政策、高附加值产品（精细化学品、聚合物）开发 |
| 工艺集成 | 电/光/热催化与CO₂捕集、分离、产品提纯的协同设计 | 全流程模拟与多目标优化 |
未来5-10年展望
- 第一个万亿级市场：CO₂制甲醇结合绿氢，将在2030年前后实现与化石甲醇的平价（取决于碳税和绿氢降本）。
- 电催化突破：CO₂→乙烯/乙醇可能率先进入百吨级中试，基准电流密度将达到5 A/cm²并稳定运行>5000小时。
- 生物路线商业化：CO₂发酵制乙醇/丁醇（如LanzaTech）预计在2030年实现10万吨级工厂投运。
- 政策驱动：欧盟CBAM（碳边境调节机制）和中国的“双碳”目标将迫使化工企业将碳利用纳入战略选项。
碳利用制化学品正从“实验室突破”向“工程化放大”和“经济性验证”阶段快速过渡。甲醇、乙烯、甲酸、乙醇是当前最受关注的目标产物，未来3-5年，绿氢成本下降和催化剂寿命提升将是决定产业能否爆发的核心变量，需关注中国、欧洲和美国的项目进展，以及配套碳税与补贴政策的落地。
如需查阅具体论文或近期（2024-2025年）的顶级期刊综述（如 Nature Catalysis, JACS 上关于单原子催化剂或铜基催化剂的最新工作），建议使用学术数据库进一步检索。
