中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 碳捕集、利用與封存（CCUS）是指將CO₂從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，并輸送到適宜的場地加以封存和利用，最終實現(xiàn)CO₂減排的技術(shù)手段，涉及CO₂捕集、運輸、利用和封存等多個環(huán)節(jié)。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的第六次評估報告（AR6）指出，要實現(xiàn)巴黎協(xié)定溫控目標，需要利用CCUS技術(shù)實現(xiàn)累計千億噸的碳減排量。在碳中和目標下，CCUS是化石能源低碳利用、工業(yè)流程低碳再造的一項關(guān)鍵技術(shù)支撐，其延伸的直接空氣捕集（DAC）、生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）技術(shù)則是實現(xiàn)大氣中殘余CO₂去除的重要技術(shù)選擇。

美國、歐盟、英國、日本等國家和地區(qū)已將CCUS作為實現(xiàn)碳中和目標必不可少的一項減排技術(shù)，將其上升到國家戰(zhàn)略高度，并發(fā)布了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃、路線圖和研發(fā)計劃。相關(guān)研究表明，在碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標下，到2025年中國主要行業(yè)對利用CCUS技術(shù)實現(xiàn)CO₂減排的需求約為0.24億噸/年，到2030年約為1億噸/年，到2040年約為10億噸/年，到2050年將超過20億噸/年，到2060年約為23.5億噸/年。因此，發(fā)展CCUS將對我國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的戰(zhàn)略意義。本文將全面分析國際CCUS領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略部署及技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，以期為我國CCUS發(fā)展和技術(shù)研發(fā)提供參考。

主要國家和地區(qū)CCUS發(fā)展戰(zhàn)略

美國、歐盟、英國、日本等國家和地區(qū)長期投入資金支持CCUS技術(shù)研發(fā)和示范項目建設(shè)，近年來更是積極推進CCUS商業(yè)化進程，并根據(jù)自身資源稟賦和經(jīng)濟基礎(chǔ)，形成了各有側(cè)重的戰(zhàn)略取向。

美國持續(xù)資助CCUS研發(fā)和示范，不斷推進CCUS技術(shù)多元化發(fā)展

自1997年以來，美國能源部（DOE）持續(xù)資助CCUS的研發(fā)和示范。2007年，美國能源部制定了CCUS研發(fā)與示范計劃，包括CO₂捕集、運輸與封存、轉(zhuǎn)化利用三大領(lǐng)域。2021年，美國能源部將其中的CO₂捕集計劃修改為點源碳捕集（PSC）計劃，并增加CO₂去除（CDR）計劃，CDR計劃旨在推動DAC、BECCS等碳去除技術(shù)發(fā)展，同時部署“負碳攻關(guān)計劃”以推進碳去除領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，目標是到2050年，實現(xiàn)從大氣中去除數(shù)十億噸CO₂，CO₂捕集和封存成本低于100美元/噸。自此，美國CCUS研發(fā)重點進一步延伸到DAC、BECCS等碳去除技術(shù)，CCUS技術(shù)體系更加多元化。2022年5月，美國能源部宣布啟動35億美元的“區(qū)域直接空氣捕集中心”計劃，將支持4個大型區(qū)域直接空氣捕集中心建設(shè)，旨在加速商業(yè)化進程。

2021年，美國更新了CCUS研究計劃資助方向，新的研究領(lǐng)域和重點攻關(guān)方向包括：點源碳捕集技術(shù)的研究重點包括開發(fā)先進碳捕集溶劑（如貧水溶劑、相變?nèi)軇?、高性能功能化溶劑等），高選擇性、高吸附性和抗氧化的低成本耐用吸附劑，低成本耐用的膜分離技術(shù)（聚合物膜、混合基質(zhì)膜、亞環(huán)境溫度膜等），混合系統(tǒng)（吸附-膜系統(tǒng)等），以及低溫分離等其他創(chuàng)新技術(shù)；CO₂轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的研究重點是開發(fā)將CO2轉(zhuǎn)化制燃料、化學(xué)品、農(nóng)產(chǎn)品、動物飼料和建筑材料等增值產(chǎn)品的新設(shè)備和工藝； CO₂運輸與封存技術(shù)的研究重點是開發(fā)先進安全可靠的CO2運輸和封存技術(shù)；DAC技術(shù)的研究重點是開發(fā)能夠提高CO₂去除量并提高能效的工藝和捕集材料，包括先進溶劑、低成本耐用膜分離技術(shù)和電化學(xué)方法等；BECCS的研究重點是開發(fā)微藻的大規(guī)模培養(yǎng)、運輸和加工技術(shù)，并減少對水和土地的需求，以及CO2去除量的監(jiān)測與核查等。

歐盟及其成員國將CCUS上升到國家戰(zhàn)略高度，多個大型基金資助CCUS研發(fā)與示范

2024年2月6日，歐盟委員會通過了《工業(yè)碳管理戰(zhàn)略》，旨在擴大CCUS部署規(guī)模，并實現(xiàn)商業(yè)化，并提出三大發(fā)展階段：到2030年，每年至少封存5000萬噸的CO₂，以及建設(shè)由管道、船舶、鐵路和公路組成的相關(guān)運輸基礎(chǔ)設(shè)施；到2040年，大多數(shù)地區(qū)的碳價值鏈具有經(jīng)濟可行性，CO₂成為歐盟單一市場內(nèi)封存或利用的可交易商品，所捕集的CO₂中有1/3比例可以被利用；2040年后，工業(yè)碳管理應(yīng)成為歐盟經(jīng)濟體系的一個組成部分。

法國于2024年7月4日發(fā)布《法國CCUS部署現(xiàn)狀和前景》，提出了3個發(fā)展階段：2025—2030年，部署2—4個CCUS中心，實現(xiàn)每年400萬—800萬噸CO₂的捕集量；2030—2040年，每年實現(xiàn)1 200萬—   2 000萬噸CO₂捕集量；2040—2050年，每年實現(xiàn)3 000萬—5 000萬噸CO₂捕集量。2024年2月26日，德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和氣候行動部（BMWK）發(fā)布《碳管理戰(zhàn)略要點》和基于該戰(zhàn)略的修訂版《碳封存法案草案》，提出將致力于消除CCUS技術(shù)障礙，推動CCUS技術(shù)發(fā)展，并加速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?！暗仄骄€歐洲”“創(chuàng)新基金”“連接歐洲設(shè)施”等計劃為促進CCUS發(fā)展提供了資金支持，資助重點包括：先進碳捕集技術(shù)（固體吸附劑、陶瓷和聚合物分離膜、鈣循環(huán)、化學(xué)鏈燃燒等），CO₂轉(zhuǎn)化制燃料和化學(xué)品、水泥等工業(yè)示范，CO₂封存場地開發(fā)等。

英國以CCUS集群建設(shè)方式發(fā)展CCUS技術(shù)

英國將建設(shè)CCUS產(chǎn)業(yè)集群作為推動CCUS快速發(fā)展和部署的重要手段。英國《凈零戰(zhàn)略》提出，到2030年將投資10億英鎊與工業(yè)界合作建設(shè)4個CCUS產(chǎn)業(yè)集群。2023年12月20日，英國發(fā)布《CCUS：建立競爭性市場愿景》，旨在成為CCUS全球領(lǐng)導(dǎo)者，并提出CCUS三大發(fā)展階段：2030年前積極創(chuàng)建CCUS市場，到2030年每年捕集2 000萬—3 000萬噸CO₂當量； 2030—2035年，積極建立商業(yè)競爭市場，實現(xiàn)市場轉(zhuǎn)型；2035—2050年，構(gòu)建自給自足的CCUS市場。

為加快CCUS商業(yè)部署，英國《凈零研究與創(chuàng)新框架》制定了CCUS和溫室氣體去除技術(shù)研發(fā)重點和創(chuàng)新需求：推進高效低成本的點源碳捕集技術(shù)研發(fā)，包括燃燒前捕集的先進重整技術(shù)、新型溶劑和吸附工藝的燃燒后捕集、低成本富氧燃燒技術(shù)，以及鈣循環(huán)等其他先進低成本碳捕集技術(shù)；提高效率并減少能源需求的DAC技術(shù)；高效且具有經(jīng)濟性的生物質(zhì)氣化技術(shù)研發(fā)與示范、生物質(zhì)供應(yīng)鏈優(yōu)化，以及通過BECCS與燃燒、氣化、厭氧消化等其他技術(shù)的耦合以促進BECCS在發(fā)電、供熱、可持續(xù)運輸燃料或氫氣生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時充分評估這些方法對環(huán)境的影響；高效低成本CO₂運輸和封存的共享基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；開展地質(zhì)封存的建模、模擬、評估和監(jiān)測技術(shù)與方法，開發(fā)枯竭油氣儲層封存技術(shù)和方法，使海上CO₂封存成為可能；開發(fā)CO₂轉(zhuǎn)化制長壽命產(chǎn)品、合成燃料和化學(xué)品的CO₂利用技術(shù)。

日本致力于打造具有競爭力的碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)

日本《2050年實現(xiàn)碳中和的綠色增長戰(zhàn)略》將碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)列為實現(xiàn)碳中和目標的十四大產(chǎn)業(yè)之一，提出CO₂轉(zhuǎn)化制燃料和化學(xué)品、CO₂礦化養(yǎng)護混凝土、高效低成本分離與捕集技術(shù)，以及DAC技術(shù)是未來的重點任務(wù)，并提出了明確發(fā)展目標：到2030年，低壓CO₂捕集的成本為2 000日元/噸CO₂、高壓CO₂捕集的成本為1 000日元/噸CO₂、基于藻類的CO₂轉(zhuǎn)化制生物燃料成本為100日元/升；到2050年，直接空氣捕集的成本為2 000日元/噸CO₂、基于人工光合作用的CO₂制化學(xué)品的成本為100日元/千克。為進一步加速碳循環(huán)技術(shù)發(fā)展并發(fā)揮實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵戰(zhàn)略作用，日本于2021年修訂了《碳循環(huán)利用技術(shù)路線圖》，并陸續(xù)發(fā)布了“綠色創(chuàng)新基金”框架下的CO₂轉(zhuǎn)化利用制塑料、燃料、混凝土，以及CO₂生物制造、CO₂分離回收等5個專項研發(fā)與社會實施計劃。這些專項研發(fā)計劃的重點包括：用于CO₂捕集的低能耗創(chuàng)新材料和技術(shù)開發(fā)與示范；CO₂轉(zhuǎn)化制運輸用合成燃料、可持續(xù)航空燃料、甲烷及綠色液化石油氣；CO₂轉(zhuǎn)化制聚氨酯、聚碳酸酯等功能性塑料；CO₂生物轉(zhuǎn)化利用技術(shù)；創(chuàng)新碳負性混凝土材料等。

碳捕集、利用與封存技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢

全球CCUS技術(shù)研發(fā)格局

基于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫，本文檢索了CCUS技術(shù)領(lǐng)域SCI論文，共計120 476篇。從發(fā)文趨勢來看（圖1），自2008年起，CCUS領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢。2023年的發(fā)文量為13 089篇，是2008年發(fā)文量（1 671篇）的7.8倍。隨著主要國家對CCUS技術(shù)的重視程度不斷增加和持續(xù)資助，預(yù)計未來CCUS發(fā)文量將會持續(xù)增長。從SCI論文的研究主題來看，CCUS研究方向主要以CO₂捕集為主（52%），其次是CO₂化學(xué)與生物利用（36%）、CO₂地質(zhì)利用與封存（10%），CO₂輸送領(lǐng)域論文占比較小（2%）。

從論文產(chǎn)出國家分布來看，全球發(fā)文量排名前10位（TOP10）的國家分別是中國、美國、德國、英國、日本、印度、韓國、加拿大、澳大利亞和西班牙（圖2）。其中中國以36 291篇發(fā)文量，遙遙領(lǐng)先于其他國家，位居全球首位。但從論文影響力來看（圖3），在發(fā)文量前10位的國家中，在高被引論文百分比、學(xué)科規(guī)范化的引文影響力兩個指標上均高于前10位國家平均水平的國家有美國、澳大利亞、加拿大、德國和英國（圖3第一象限），其中美國、澳大利亞在這兩個指標上分別處于全球領(lǐng)先地位，表明這兩個國家在CCUS領(lǐng)域具有較強研發(fā)實力。我國雖然在發(fā)文總量上位居全球第1位，但在學(xué)科規(guī)范化的引文影響力方面落后于排名前10位國家平均水平，研發(fā)競爭力有待進一步提高。

CCUS技術(shù)研究熱點與重要進展

基于近10年CCUS技術(shù)主題圖譜（圖4），共形成了九大關(guān)鍵詞聚類，分別分布在：碳捕集技術(shù)領(lǐng)域，包括CO₂吸收相關(guān)技術(shù)（聚類1）、CO₂吸附相關(guān)技術(shù)（聚類2）、CO₂膜分離技術(shù)（聚類3），以及化學(xué)鏈燃料（聚類4）；化學(xué)與生物利用技術(shù)領(lǐng)域，包括CO₂加氫反應(yīng)（聚類5）、CO₂電/光催化還原（聚類6）、與環(huán)氧化合物的環(huán)加成反應(yīng)技術(shù)（聚類7）；地質(zhì)利用與封存（聚類8）；BECCS與DAC等碳去除（聚類9）。本節(jié)重點分析這四大技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)熱點和進展，以期揭示CCUS領(lǐng)域技術(shù)布局和發(fā)展趨勢。

CO₂捕集

CO₂捕集是CCUS技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，也是整個CCUS產(chǎn)業(yè)鏈的最大成本和能耗來源，約占CCUS整體成本的近75%，因此如何降低CO₂捕集成本和能耗是目前面臨的主要科學(xué)問題。目前，CO₂捕集技術(shù)正從基于單一胺的化學(xué)吸收技術(shù)、燃燒前物理吸收技術(shù)等第一代碳捕集技術(shù)，向新型吸收溶劑、吸附技術(shù)、膜分離、化學(xué)鏈燃燒、電化學(xué)等新一代碳捕集技術(shù)過渡。

新型吸附劑、吸收溶劑及膜分離等第二代碳捕集技術(shù)是目前研究的重點。吸附劑的研究熱點是開發(fā)先進結(jié)構(gòu)化吸附劑，如金屬有機框架、共價有機框架、摻雜多孔碳、三嗪基骨架材料、納米多孔碳等。吸收溶劑的研究熱點是研制高效綠色、耐用、低成本的溶劑，如離子溶液、胺基吸收劑、乙醇胺、相變?nèi)軇?、深共晶溶劑、吸收劑解析與降解等。新型顛覆性的膜分離技術(shù)的研究重點是開發(fā)高滲透率的膜材料，如混合基質(zhì)膜、聚合物膜、沸石咪唑骨架材料膜、聚酰胺膜、中空纖維膜、雙相膜等。美國能源部指出，從工業(yè)源中捕集CO₂成本需要降至30美元/噸左右，CCUS才具有商業(yè)可行性。日本昭和電工株式會社、日本鋼鐵株式會社和日本6所國立大學(xué)聯(lián)合開展了與現(xiàn)有多孔材料（沸石、活性炭等）完全不同的“結(jié)構(gòu)靈活的多孔性配位高分子”（PCP*3）研究，以13.45美元/噸的突破性低成本從常壓、低濃度廢氣（CO₂濃度低于10%）中高效分離回收CO₂，預(yù)計在2030年底前實現(xiàn)應(yīng)用。美國西北太平洋國家實驗室開發(fā)了新型碳捕集劑CO2BOL，與商業(yè)技術(shù)相比，該溶劑可將捕集成本降低19%（每噸低至38美元），能耗降低17%，捕集率高達97%。

化學(xué)鏈燃燒、電化學(xué)等第三代碳捕集創(chuàng)新技術(shù)開始嶄露頭角。其中化學(xué)鏈燃燒技術(shù)被認為是最具應(yīng)用前景的碳捕集技術(shù)之一，具有高能源轉(zhuǎn)化效率、低CO₂捕集成本和污染物協(xié)同控制等優(yōu)點。但化學(xué)鏈燃燒溫度高，載氧體高溫?zé)Y(jié)嚴重，成為了限制化學(xué)鏈技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。目前，化學(xué)鏈燃燒的研究熱點包括金屬氧化物（鎳基、銅基、鐵基）載氧體、鈣基載氧體等。High等開發(fā)了一種新的高性能載氧體材料合成方法，其通過調(diào)控銅鎂鋁水滑石前驅(qū)體的材料化學(xué)和合成工藝，實現(xiàn)納米級分散的混合銅氧化物材料，抑制循環(huán)過程中鋁酸銅的形成，制備了耐燒結(jié)的銅基氧化還原載氧體。研究結(jié)果表明，在900℃、500次氧化還原循環(huán)中具有穩(wěn)定的氧氣儲存能力，并在較寬溫度范圍內(nèi)具有高效的氣體凈化能力。該材料成功制備為高活性、高穩(wěn)定性載氧體材料的設(shè)計提供了新思路，有望解決載氧體高溫?zé)Y(jié)的關(guān)鍵瓶頸問題。

CO₂捕集技術(shù)已在多個高排放行業(yè)得到應(yīng)用，但不同行業(yè)技術(shù)成熟度有所不同。燃煤電廠、天然氣電廠、煤氣化電廠等能源系統(tǒng)耦合CCUS技術(shù)成熟度較高，均達到技術(shù)成熟度等級（TRL）9級，特別是基于化學(xué)溶劑法的碳捕集技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于電力部門的天然氣脫硫和燃燒后捕集過程。根據(jù)IPCC第六次評估（AR6）第3工作組報告，鋼鐵、水泥等行業(yè)耦合CCUS技術(shù)成熟度因工藝不同有所差異。例如，合成氣、直接還原鐵、電爐耦合CCUS技術(shù)的成熟度最高（TRL 9級），目前已可用；而水泥過程加熱和CaCO3煅燒耦合CCUS的生產(chǎn)技術(shù)成熟度為TRL 5—7級，預(yù)計在2025年可用。因此，目前傳統(tǒng)重工業(yè)應(yīng)用CCUS尚存在挑戰(zhàn)。

一些國際大型重工業(yè)企業(yè)如安賽樂米塔爾、海德堡等鋼鐵、水泥企業(yè)已開展CCUS相關(guān)技術(shù)示范工程。2022年10月，安賽樂米塔爾、三菱重工、必和必拓和三菱開發(fā)公司共同簽署了一項合作協(xié)議，計劃分別在位于比利時根特鋼鐵廠和北美的鋼鐵廠開展CO₂捕集試點項目。2023年8月14日，海德堡材料宣布其位于加拿大艾伯塔省埃德蒙頓的水泥廠已安裝三菱重工株式會社的CO₂MPACTTM系統(tǒng)，該設(shè)施有望成為全球水泥行業(yè)首個全面的CCUS解決方案，預(yù)計將于2026年底投入運營。

CO₂地質(zhì)利用與封存

CO₂地質(zhì)利用與封存技術(shù)不僅能實現(xiàn)CO₂大規(guī)模減排，并且能夠提高石油、天然氣等資源開采量。CO₂地質(zhì)利用與封存技術(shù)目前研究熱點包括CO₂強化石油開采、強化氣體開采（頁巖氣、天然氣、煤層氣等）、CO₂采熱技術(shù)、CO₂注入與封存技術(shù)及監(jiān)測等。CO₂地質(zhì)封存的安全性及其泄漏風(fēng)險是公眾對CCUS項目最大的擔(dān)憂，因此長期可靠的監(jiān)測手段、CO₂-水-巖石相互作用是CO₂地質(zhì)封存技術(shù)研究的重點。Sheng Cao等通過靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的方法研究了CO2驅(qū)替過程中水巖相互作用對巖心孔隙度和滲透率的影響。結(jié)果表明，將CO₂注入巖心會導(dǎo)致CO2在地層水中溶解時與巖石礦物發(fā)生反應(yīng)。這些反應(yīng)導(dǎo)致新礦物的形成和碎屑顆粒的阻礙，從而降低巖心滲透率，且通過碳酸腐蝕產(chǎn)生的精細裂縫會增加巖心滲透率。CO₂–水–巖石反應(yīng)受PV值、壓力和溫度的顯著影響。CO₂強化采油已在美國、加拿大等發(fā)達國家實現(xiàn)廣泛商業(yè)化應(yīng)用。驅(qū)替煤層氣開采、強化深部咸水開采與封存、強化天然氣開發(fā)等處于工業(yè)示范或試點階段。

CO₂化學(xué)與生物利用

CO₂化學(xué)與生物利用是指基于化學(xué)和生物技術(shù)將CO₂轉(zhuǎn)化制化學(xué)品、燃料、食品等其他產(chǎn)品，其不僅能夠直接消耗CO₂，還能夠?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)高碳原料的替代，降低石油、煤炭的消耗，兼具直接減排和間接減排效應(yīng)，綜合減排潛力巨大。由于CO₂具有極高的惰性和高C—C耦合壁壘，在CO₂利用效率和還原選擇性控制上仍具有挑戰(zhàn)性，因此目前研究重點集中在如何提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率和選擇性上。CO₂電催化、光催化、生物轉(zhuǎn)化利用，以及上述技術(shù)的耦合是CO₂轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵技術(shù)途徑，目前研究熱點包括基于熱化學(xué)、電化學(xué)、光/光電化學(xué)轉(zhuǎn)化機理研究，建立高效催化劑的可控合成方法和構(gòu)效關(guān)系，并通過對不同反應(yīng)體系中反應(yīng)器的合理設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強反應(yīng)傳質(zhì)過程和減少能量損失，從而提高CO₂催化轉(zhuǎn)化效率和選擇性。Jin等開發(fā)CO₂經(jīng)CO兩步轉(zhuǎn)化為乙酸的工藝，研究人員利用Cu/Ag-DA催化劑，在高壓強反應(yīng)條件下，將CO高效還原為乙酸。與之前文獻報道相比，相對于從CO₂電還原反應(yīng)中觀察到的所有其他產(chǎn)物，乙酸的選擇性增加一個數(shù)量級，實現(xiàn)了91%的CO到乙酸法拉第效率，并在連續(xù)工作820小時后，法拉第效率仍能保持85%，在選擇性、穩(wěn)定性上實現(xiàn)了新突破。Khoshooei等研制出可將CO₂轉(zhuǎn)化為CO的廉價催化劑——納米晶立方碳化鉬（α-Mo2C），該催化劑可在600℃下將CO₂100%轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，且其在高溫和高通量反應(yīng)條件下保持活性超過500小時。

當前，CO₂化學(xué)與生物利用大部分處于工業(yè)示范階段，也有一些生物利用處于實驗室階段。其中CO₂化學(xué)轉(zhuǎn)化制尿素、合成氣、甲醇、碳酸酯、可降解聚合物、聚氨酯等技術(shù)已處于工業(yè)示范階段，如冰島碳循環(huán)（Carbon Recycling）公司已于2022年實現(xiàn)CO₂轉(zhuǎn)化制甲醇11萬噸工業(yè)示范。而CO₂化學(xué)轉(zhuǎn)化制液體燃料、烯烴則處于中試示范階段，如中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與珠海市福沺能源科技有限公司于2022年3月聯(lián)合開發(fā)了世界首創(chuàng)的千噸級CO₂加氫制汽油中試裝置。CO₂生物轉(zhuǎn)化利用已從生物乙醇簡單化學(xué)品發(fā)展至復(fù)雜的生物大分子，如生物柴油、蛋白質(zhì)、戊酸、蝦青素、淀粉、葡萄糖等，其中微藻固定CO₂轉(zhuǎn)化制生物燃料和化學(xué)品技術(shù)、微生物固定CO₂合成蘋果酸處于工業(yè)示范階段，而其他生物利用則多處于實驗階段。鋼渣和磷石膏的CO₂礦化技術(shù)已接近商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)制混凝土CO₂固化和在混凝土中使用碳化骨料正處于部署的后期階段。

DAC和BECCS技術(shù)

DAC、BECCS等新型碳去除（CDR）技術(shù)日益受到關(guān)注，將在實現(xiàn)碳中和目標后期發(fā)揮重要作用。IPCC第六次評估第3工作組報告指出，21世紀中葉后必須高度重視DAC、BECCS等新型碳去除技術(shù)，未來10年這些技術(shù)的早期發(fā)展將對其以后的規(guī)?；l(fā)展速度和水平至關(guān)重要。

DAC目前研究重點包括金屬有機框架材料、固態(tài)胺、沸石等固態(tài)技術(shù)，以及堿性氫氧化物溶液、胺溶液等液態(tài)技術(shù)，新興技術(shù)包括變電吸附和膜法DAC技術(shù)。DAC技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是能耗較高。Seo等在水溶液中使用中性紅作為氧化還原活性材料和煙酰胺作為親水增溶劑，實現(xiàn)低能耗的電化學(xué)直接空氣捕集，將傳統(tǒng)技術(shù)工藝需求熱量從230千焦/摩爾—800千焦/摩爾CO₂最低降至65千焦/摩爾CO₂。直接空氣捕集與封存技術(shù)成熟度不高，約為TRL6。雖然技術(shù)成熟不高，但DAC規(guī)模不斷擴大，目前全球已有18個DAC設(shè)施正在運行，另有11個處于開發(fā)中的設(shè)施。若所有這些計劃中的項目都得以實施，到2030年，DAC的捕集能力將達到約550萬噸CO₂，是目前捕集能力的700多倍。

BECCS研究重點主要包括基于生物質(zhì)燃燒發(fā)電的BECCS技術(shù)、基于生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化利用（如乙醇、合成氣、生物油等）的BECCS技術(shù)等。BECCS大規(guī)模部署的主要限制因素是土地和生物資源等，一些BECCS路線已商業(yè)化，如第一代生物乙醇生產(chǎn)中的CO₂捕集是最成熟的BECCS路線，但大部分仍處于示范或試點階段，如生物質(zhì)燃燒廠的CO₂捕集處于商業(yè)示范階段，用于合成氣應(yīng)用的生物質(zhì)大規(guī)模氣化仍處于試驗驗證階段。

結(jié)語與未來展望

近年來CCUS發(fā)展受到了前所未有的重視。從主要國家和地區(qū)CCUS發(fā)展戰(zhàn)略看，推動CCUS發(fā)展以助力碳中和目標實現(xiàn)已在全球主要國家達成廣泛共識，極大推動了CCUS科技進步和商業(yè)部署。截至2023年第2季度，全球處于規(guī)劃、建設(shè)和運行中的商業(yè)CCS項目數(shù)量再創(chuàng)新高，達到了257個，比上年同期增加63個，若這些項目全部建成運行后捕集能力將到達每年3.08億噸CO₂，比2022年同期的2.42億噸增長27.3%，但這與國際能源機構(gòu)（IEA）2050年全球能源系統(tǒng)凈零排放情景下，2030年全球CO₂捕集量達到16.7億噸/年和2050年達到76億噸/年的減排量仍有較大差距，因此在碳中和背景下，需要進一步加大CCUS商業(yè)化進程。這不僅需要加速領(lǐng)域的科技突破，還需要各國不斷完善監(jiān)管、財稅等方面的政策措施，以及建立國際通用的新興CCUS技術(shù)的核算方法學(xué)。

未來在科技研發(fā)方面可考慮分步走的戰(zhàn)略。近期可聚焦第二代低成本、低能耗CO₂捕集技術(shù)研發(fā)與示范，實現(xiàn)CO₂捕集在碳密集型行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用；發(fā)展安全可靠的地質(zhì)利用封存技術(shù)，努力提高CO₂化學(xué)與生物利用轉(zhuǎn)化效率。中遠期可聚焦面向2030年及以后的第三代低成本低能耗CO₂捕集技術(shù)研發(fā)與示范；開發(fā)CO₂高效定向轉(zhuǎn)化合成化學(xué)品、燃料、食品等規(guī)模化應(yīng)用新工藝；積極部署直接空氣捕集等碳去除技術(shù)研發(fā)與示范。

CO₂捕集領(lǐng)域。研發(fā)高吸收性、低污染和低能耗再生溶劑，高吸附容量和高選擇性的吸附材料，以及高滲透性和選擇性的新型膜分離技術(shù)等。此外，增壓富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒、鈣循環(huán)、酶法碳捕集、混合捕集系統(tǒng)、電化學(xué)碳捕集等其他創(chuàng)新技術(shù)也是未來值得關(guān)注的研究方向。

CO₂地質(zhì)利用與封存領(lǐng)域。開展和強化對CO₂封存地球化學(xué)-地質(zhì)力學(xué)過程的預(yù)測性理解、創(chuàng)建CO₂長期安全封存預(yù)測模型、CO₂—水—巖相互作用、結(jié)合人工智能和機器學(xué)習(xí)的碳封存智能監(jiān)測系統(tǒng)（IMS）等技術(shù)研究。

CO₂化學(xué)與生物利用領(lǐng)域。通過CO₂高效活化機理研究，開展高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的CO₂轉(zhuǎn)化利用新型催化劑、溫和條件下活化轉(zhuǎn)化途徑、多路徑耦合的合成轉(zhuǎn)化新途徑等技術(shù)研究。

（作者：秦阿寧，中國科學(xué)院文獻情報中心；孫玉玲，中國科學(xué)院文獻情報中心中國科學(xué)院大學(xué)；編審：劉一霖；《中國科學(xué)院院刊》供稿）