如何处理CO2，几篇NS教你思路（内含Nature专访）

春国 2年前 (2022-07-02) 3312浏览

随着时代的进展，全球人民对气候变暖等国际环境已经越来越重视，1992年《联合国气候变化框架公约》签订和1997年《京都议定书》签署，第一阶段气候变化的履约时代于2012年结束。2016年的《巴黎协定》签署，标志着全球履约时代到来。根据《巴黎协定》，“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内，同时认识到这将大大减少气候变化的风险和影响”。由此，很多国家都在国际层面上宣布要在2050年前后做到碳中和。

全球气候变暖的主要原因的二氧化碳的排放，解决方法是二氧化碳含量的降低。减少碳排放是一项全球性挑战，也是全球科学家和学者的目标。由NCBI数据库检索结果可以知道，从2016年《巴黎协定》签署之后，全球的研究者对二氧化碳的研究正在逐步上升，也不断有令人震惊的成果被报道出来。最近几篇NS的发表或许能够给大家提供一些思路。下面，将为大家解读这些重量级研究成果。

  1. 通过微生物可将CO2转化成甲烷从而增加CO2的封存

来自牛津大学的Chris Ballentine教授带领一个国际合作团队，通过展示来自Olla油田（美国路易斯安那州）的CO2 -EOR项目的惰性气体、稳定同位素、聚集同位素和基因测序分析。他们将其（生物）地球化学成分与邻近的 Nebo-Hemphill 油田进行了比较，后者并没有使用CO2 -EOR方法。数据表明，微生物产甲烷作用将多达13-19% 的注入CO2转化为甲烷(CH4)，另外多达74%的CO2溶解在地下水中。这是由于甲烷的可溶性、可压缩性和反应性都比二氧化碳低。

这项研究是第一个将最先进的同位素示踪剂（惰性气体和稳定同位素数据）与微生物数据结合起来，研究二氧化碳的实验。科学家认为，未来我们可以在碳捕获与封存选址时把它考虑进去。

具体研究成果以“Rapid microbial methanogenesis during CO2 storage in hydrocarbon reservoirs”为题发表于Nature上。

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

  1. 利用太阳能将CO2和H2O转为CO和H2用于合成燃料

由于航空和航运CO2排放量占8%的人为二氧化碳排放,而且旅游业和全球贸易增长也将进一步加剧这个情况。其中一个解决方案是燃料(由太阳能驱动的过程中从H2O和CO2制成的石油、汽油或柴油等石油来源的液态烃燃料的合成替代品)。在许多可能的方法中,使用集中的太阳辐射作为高温过程热源的热化学路径提供了潜在的高生产率和效率,如果需要的二氧化碳直接从大气中得到,就可以实现真正的碳中和燃料。

瑞士苏黎世联邦理工学院的Steinfeld Aldo等研究人员开发了一种用阳光和空气生产燃料的实验系统，且该系统能在日常条件下运转。该系统由三个关键单元组成：1. 直接空气捕获装置，能从空气中提取二氧化碳和水；2. 太阳氧化还原装置，能利用太阳能将二氧化碳和水转换为一氧化碳和氢的混合物（合成气）；3. 气转液装置，能将合成气转换为液态烃或甲醇。

碳中和的燃料可以通过阳光和空气进行示范,这是一个重要的里程碑。在适当的政策支持下,这对航空部门的长期脱碳至关重要。

具体研究成果以“Drop-in fuels from sunlight and air”为题发表于Nature上。

图2 简化的太阳能燃料系统工艺链。

  1. 通过金属有机框架对CO2进行吸附

大多数用于捕获化石燃料燃烧的二氧化碳 (CO2 )的材料，例如胺类，都依赖于高度选择性的强化学吸附相互作用，但释放CO2会导致大量能量损失。加拿大卡尔加里大学George K. H. Shimizu团队表明锌基Calgary Framework 20 (CALF-20金属有机骨架材料可以物理吸附CO2并产生较低的再生损失。它在孔隙中心的结合位点排除了水分子之间氢键网络的形成。这种耐用的材料可以在40%的相对湿度下优先吸附CO2，并在150℃的烟气条件下保持其性能。

在碳捕获和气候变化方面，有效捕获只是减少温室气体的一个步骤，但是非常重要的一步。目前CALF-20正在加拿大Lafarge-Holcim水泥厂的CO2MENT项目中，进行每天一吨二氧化碳捕获的工业试验，它也是世界上第一个工业示范的MOF材料。

具体研究成果以“A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture”为题发表于Science上。

图3 可扩展的金属有机框架作为二氧化碳捕获的耐用物理吸附剂

  1. 通过酶的作用将CO2转化为淀粉

淀粉是碳水化合物的一种储存形式，是人类饮食中热量的主要来源，也是生物工业的主要原料。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团报道了一种在无细胞系统中从二氧化碳(CO2)和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。人工淀粉合成途径(artificial starch anabolic pathway, ASAP)由11个核心反应组成，通过计算途径设计，模块化组装和置换建立，并对3种瓶颈相关酶进行蛋白质工程优化。在一个具有时空分离的化学酶体系中，ASAP在氢的驱动下，每毫克总催化剂每分钟可将CO2转化为淀粉，比玉米淀粉的合成速率高约8.5倍。

这是世界上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破，对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义。

具体研究成果以“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”为题发表于Science上。

图4 二氧化碳无细胞化学酶促淀粉合成

  1. Nature专访：将工业 CO2转化为电池燃料（中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学物理系曾杰教授）

编者：您目前的研究阶段是什么？

曾杰：我研究如何利用电能将水泥、钢铁和石化厂释放的二氧化碳转化为液体燃料和化学品。而且我们团队已经测试了几代技术，该技术结合了催化剂和电化学装置，从CO2和水中制造甲酸——一种简单的天然酸。这种酸可以用作电池的燃料来源。在2021年，我们开发了一种基于铜合金的催化剂和一种使用固态电解质的电化学装置。这些结合使我们能够生产出无需分离和纯化即可立即使用的纯甲酸溶液。

编者：您是如何开始这项研究的？

曾杰：我在中国河南省商城县的一个农村长大。我父亲没有受过高等教育，但经常发明可以让我的家人生活更轻松的工具。我认为他在我心中播下了创新的种子。

2008年至2011年，我在中国科学技术大学获得凝聚态物理博士学位，然后移居美国，在密苏里州圣路易斯的华盛顿大学从事博士后研究。2012年，我回到中国科学技术大学进行自己的独立研究。 . 我决定专注于使用化学催化过程来阻止CO2成为环境负担，并将其转化为自己的资源，而不是将其作为废物留下。

编者：您研究的下一步是什么？

曾杰：我们将专注于扩大我们的技术以生产更多的甲酸，以便尽快在工业规模上进行商业应用。我们希望与大型碳排放公司合作，例如水泥厂和火力发电厂。来自世界各地的组织都与我们联系——既有积极寻找解决方案并关注最新技术进步的大型碳排放国，也有有兴趣购买我们的燃料和化学品的公司。

编者：中国科技大学如何支持碳中和技术的研究？

曾杰：2020年9月，中国国家主席习近平制定了在2030年前达到排放峰值并在2060年前实现碳中和的目标。这为国内从事CO2转化领域的研究人员提供了机会。

我们团队的项目主要由国家自然科学基金委、科技部、中科院和部分企业资助。我们每年收到大约1000万至2000万元人民币（157万美元至314万美元）。可以说，自从习主席宣布后，更多的资金已经到位。

 

成果启迪

由于全球变暖相关的可预见的和巨大的损害，大气中CO2的持续积累是一个重要的问题。近年来，人们进行了巨大的研究努力来遏制这一现象。研究人员正在探索利用温室气体（即CO2）的不同可能性，其中捕获和转化是两种主要处理方法。未来的研究有必要考虑各种材料的独特性能，并将其应用扩展到CO2捕获和储存领域。而且CO2的再生与再利用：随着CO2捕集量的增加，开发新的CO2封存技术至关重要 或将其转化为可用的材料。

 

 

  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. Schäppi, R., Rutz, D., Dähler, 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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