“接下來(lái)的100年里，地球氣溫將上升2℃~4.5℃，這主要是人為排放二氧化碳（CO2）的緣故。”參加第二屆化學(xué)科學(xué)與社會(huì)高峰論壇的科學(xué)家們表示，盡管碳捕獲和儲(chǔ)存（CCS）系統(tǒng)有助于減少CO2排放，但目前在商業(yè)上CO2還無(wú)法被有效地固定。不過(guò)，材料化學(xué)研究能夠開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，把廢棄CO2變?yōu)橛袃r(jià)值的產(chǎn)品。
碳中和生產(chǎn)能源可減排
《化學(xué)，為了可持續(xù)發(fā)展的全球社會(huì)》白皮書(shū)認(rèn)為，用CCS技術(shù)來(lái)固定CO2，可將來(lái)自燃煤發(fā)電廠的排放量減少80％~90％。不過(guò)，僅使用CO2固定技術(shù)，仍不足以實(shí)現(xiàn)全球減排的目標(biāo)。而材料化學(xué)在這個(gè)領(lǐng)域可以做很多工作，并能提供地質(zhì)儲(chǔ)碳的替代方案。譬如，發(fā)展可替代的碳中和方法生產(chǎn)能源以減少CO2排放，將CO2制成燃料或作為化工產(chǎn)業(yè)鏈中有價(jià)值的產(chǎn)品等。這將減少人類對(duì)化石燃料的依賴，并可避免碳固定技術(shù)潛在泄漏等問(wèn)題。
另外，以流體形式存在的超臨界CO2，已經(jīng)規(guī)模化用作純化過(guò)程的溶劑。將超臨界CO2廣泛用于工藝過(guò)程，可以減少化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石燃料源溶劑的需求。材料化學(xué)提供的這些方案是減少全球CO2排放戰(zhàn)略的組成部分，它能創(chuàng)造許多工作機(jī)會(huì)，而且無(wú)需依賴自然資源。
商業(yè)化捕集利用可期
各國(guó)政府目前正致力于建立把CCS技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)夂腿济喊l(fā)電廠的工業(yè)規(guī)模示范項(xiàng)目。白皮書(shū)指出，理想的CCS系統(tǒng)具有節(jié)能和高性價(jià)比特點(diǎn)，它包括捕獲和分離CO2的材料、工藝過(guò)程和技術(shù)。
目前，已經(jīng)成熟的碳捕獲技術(shù)需要消耗大量能源和原材料，為捕獲的CO2除去雜質(zhì)更需要高昂的成本。對(duì)此，專家提出下一代CCS系統(tǒng)必須同時(shí)適用于高濃度、固定的碳源，或低濃度、移動(dòng)的碳源。此外，從CO2中除去雜質(zhì)的新技術(shù)，也應(yīng)該由豐產(chǎn)元素生產(chǎn)的強(qiáng)韌、耐雜質(zhì)的材料和膜等組成。
現(xiàn)在儲(chǔ)存在地下的CO2也許將來(lái)可作為有價(jià)值的產(chǎn)品被開(kāi)采出來(lái)。一旦有了合適的轉(zhuǎn)化技術(shù)，就可以對(duì)這些儲(chǔ)存的CO2加以利用。材料化學(xué)家將研究和開(kāi)發(fā)一系列CO2固定和純化的新技術(shù)，并幫助開(kāi)發(fā)商業(yè)上切實(shí)可行的CO2儲(chǔ)存技術(shù)。
有望作原料納入供應(yīng)鏈
化學(xué)家們表示，盡管CO2通常不起化學(xué)反應(yīng)，但在催化劑存在的條件下，有可能與其它化合物形成化學(xué)儲(chǔ)能體系或有用的新材料。目前石油產(chǎn)量的5%~10%都用于制成化學(xué)品，比如塑料、藥物和其他消費(fèi)品等。隨著材料化學(xué)和催化技術(shù)的研究突破，有可能把CO2當(dāng)作原料納入化學(xué)品供應(yīng)鏈中。
在白皮書(shū)中列舉了這樣的例子：CO2可以和氫氣結(jié)合形成甲醇這種便于運(yùn)輸?shù)囊后w，再用沸石催化劑將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠汀Ｊ褂没谪S產(chǎn)元素的催化劑、非化石原料和可持續(xù)供應(yīng)的氫，可以實(shí)現(xiàn)甲醇生產(chǎn)技術(shù)的商業(yè)化，并為很多大規(guī)模使用的商品提供大量原料。通過(guò)改造現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備，這樣的工藝過(guò)程幾年內(nèi)就可以推廣。
此外，把CO2和水有效地轉(zhuǎn)化為甲烷氣，是一種潛在的儲(chǔ)能方案。甲烷是比甲醇能效更高的燃料，以CO2為原料進(jìn)行轉(zhuǎn)化還可降低對(duì)天然氣資源的依賴，并有助于中期內(nèi)向使用低排放、清潔的燃料過(guò)渡。目前，已經(jīng)有了借助氫將CO2轉(zhuǎn)化為合成氣的催化工藝。白皮書(shū)預(yù)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的流程，使用氫氣或其他含氫材料大規(guī)模地把CO2轉(zhuǎn)化成合成氣，將在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
白皮書(shū)指出，現(xiàn)在已經(jīng)有了將CO2小規(guī)模轉(zhuǎn)化成聚合物的技術(shù)，并且?guī)啄陜?nèi)可以擴(kuò)大應(yīng)用的范疇，而這需要科學(xué)家對(duì)現(xiàn)有合成聚合物材料的設(shè)備進(jìn)行改造。對(duì)于材料化學(xué)而言，則需要針對(duì)CO2的化學(xué)反應(yīng)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化高活性、高選擇性、可持續(xù)和高效的催化劑，并設(shè)計(jì)和優(yōu)化電催化或光催化方法，將CO2納入供應(yīng)鏈中。
