高效催化剂的研制助力实现碳达峰碳中和探析

解兴春 白梅 李应飞 沈柳君 农明交

（云南省生态环境厅驻文山州生态环境监测站，云南文山 663099）

1 引言

我国政府提出力争2030 年前CO2排放量达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和，即“双碳”目标。伴随着《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》等政策措施的出台，我国碳达峰碳中和工作得到了系统的谋划和总体部署，为我国加快发展方式转变和经济结构优化调整提供了战略导向。我国碳排放总量大，要在最短的时间内完成全球最高强度的碳减排和降幅，实现碳达峰碳中和目标，需要战胜很多困难。

2 碳达峰碳中和目标与能源利用和转化

“双碳”目标的实现要依靠科技进步，全面加速绿色创新，推动能源转化。其中，提高能源利用率、降低单位产品能耗和碳耗、加快能源转型、开发出可再生绿色能源和提高储能技术、减少CO2排放、增加碳汇，是落实低排放、零排放甚至负排放的前提和关键。加快能源转型，需要构建多元互补的综合能源供给体系，以实现不同能源的替代和互补，当某些能源供应链出现问题时，其他形式的能源可以在短时间内进行补充。如在逐渐降低化石能源石油、煤等的使用过程中，发展替代的电能并加大电能的使用规模和范围，使化石能源有节奏地退出人们的生活，取而代之的是清洁可再生能源，如太阳能、风能、水能等的使用。实现“双碳”目标的另一个重要途径是固碳技术，将环境中游离的或可捕捉的碳源以某种技术高效捕集、浓缩、固定封存或稳定化于固定的位置或形态中，以实现环境中游离总碳量的降低，从而减缓游离碳对气候变化影响的程度。总体来说，该方法降低了游离态碳量又可生产出高附加值的产品，对实现“双碳”目标和缓解能源危机具有一定的意义。

在上述实现“双碳”目标的两种路径中，催化剂起着举足轻重的作用，高效催化剂的研发可极大促进储能效率和提升固碳技术，如改善储能材料的性能、加大储能容量、延长储能材料的寿命、降低其成本、缩短充电时间、实现碳源的高效转化和清洁生产能力等。

3 催化剂助力CO2 资源化利用

3.1 催化剂助力CO2 电催化利用

CO2是导致温室效应的主要贡献者，通常以其贡献程度作为基数来计算和比较其他温室气体的效应，并由此衍生出碳排放权市场［1］。合理高效的CO2利用技术也是对碳达峰碳中和目标作出响应的重要方式。近年来，CO2在资源化利用方面的相关研究成果不断被报道，如将CO2运用到制备甲醇［2］、乙烯［3］、芳烃［4］、甲酸［5-6］，可降解高分子材料［7］，手机电池回收［8］等高附加值的工业产品中。然而，在CO2电催化还原反应中，由于CO2分子中存在稳定的C O 双键，将其还原需要赋予较高的能量，因此，高效催化剂的研发应用是该反应得以顺利进行的必要条件。

为解决产物的选择性不强、反应电流密度较低等问题，中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作人员［9］采用直接包覆氨基官能团化的碳层可以有效地调控非贵金属催化剂SnS 的电子结构，从而加速电极界面处的电子传导效率，增强催化剂对吸附态的CO2分子和反应中间体*OCHO 的吸附能力，实现反应电流密度和催化效率的显著提升，该研究成果为提升过渡金属催化剂的催化活性提供了新的路径，同时可利用环境中的温室气体CO2为原料制作工业产品，既达到了降碳的目的，又获得了新的能源。还有科研团队发展出氢助C－C 偶联新策略，在氟修饰的铜（F－Cu）催化剂方面实现了CO2电催化还原制乙烯和乙醇性能的突破，相比较传统的高温、高压条件下CO2加氢催化剂的性能［10］，该催化体系表现出实际应用潜力。Alvaro 等［11］将席夫碱与Cr 配体催化剂Cr－salen 固载到大表面的无定形二氧化硅或ITQ－2 分子筛上，用于环氧苯乙烯与CO2的环加成反应中合成苯乙烯环碳酸酯，该催化剂经过反复使用4 次后催化活性仍能保持在很高的水平上，可100%选择性催化合成环碳酸酯并具有70%的环氧化物转化率，在助力CO2绿色合成与利用转化方面提供了很好的借鉴和运用路径。Jutz 等［12］也报道了类似的催化剂运用技术，即将共价键固定的负载型Mn（Ⅲ）－salen 配合物成功催化超临界CO2与环氧化物反应合成环碳酸酯，该催化剂具有更高的催化活性，还可多次循环使用。

3.2 催化剂助力CO2 捕集/光催化利用

为应对全球气候变化，控制碳排放，有关专家提出了碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的概念［13］。2021 年7 月，中国石化在胜利油田揭牌成立了重点实验室，涵盖碳捕集技术实验室、CO2驱油实验室、地质封存实验室、碳捕集工程实验室、碳足迹5 个专业实验室，致力于CCUS 技术的基础理论和应用研究，为CCUS 技术创新和应用提供支撑。CCUS 技术是我国实现化石能源大规模低碳利用的唯一技术选择［14］。在CCUS 技术中，首先要进行的是CO2的高效捕集，通过将CO2富集、压缩纯化得到高浓度CO2，以备进行后续利用。匹兹堡大学的研究人员推导出一种特殊的路易斯酸碱对与金属有机框架构成的催化剂，用来捕集CO2并将其转化成抗菌剂和食品防腐剂及清洁产品制造业使用的一种中间体甲酸。计算结果表明，该催化剂作用机制可能是因为其能使氢分子解离为正氢离子和负氢离子，解离后分别与CO2分子中的碳原子和氧原子结合，形成甲酸［15］，该催化剂在转换CO2过程中具有条件温和、成本低的优点。

光催化CO2转换成为有价值的太阳能燃料被认为是解决化石能源短缺和气候变化的有效方法之一，具有宽光谱太阳能利用的分等级异质结光催化剂，正成为一种新兴的先进光催化材料，被应用于太阳能驱动CO2转化为高附加值的化学原料中。Yang Xia 等［16］制备出具有近红外吸收的二维/三维ZnIn2S4/氮掺杂石墨烯异质结光催化剂，表现出优异的光热转换效率、选择性捕获CO2和光催化还原CO2的能力，其光催化转化CO2为CH4，CO 和CH3OH 的效率分别是纯的ZnIn2S4的9.1，3.5 和5.9倍，机理分析认为该增强效应可能来源于石墨烯泡沫具有高度开放的网状结构，从而使其具有良好的CO2吸附能力，该成果为太阳能转化开辟了新的思路。在光催化CO2还原的过程中，有效地控制催化反应以及光生载流子是制备高活性、高选择性CO2还原光催化剂的关键因素［17］，近年来，研究人员提出许多方法来增强CO2光催化还原的活性和选择性。Xi Chen 等［18］通过液体浸渍－热解和后续的硫化处理，将层状结构的超分子前驱体转变成C3N4，同时获得硫掺杂的C3N4多孔纳米片和剥离的SnS2－SnO2纳米异质结，最终得到了硫掺杂的原位嵌入的SnS2－SnO2纳米异质结C3N4多孔纳米片（S－C3N4/SnO2－SnS2），该掺杂纳米异质结具有丰富的活性位点、增强的可见光吸收能力和界面电荷转移效率，使其具有更高的气相光催化还原CO2性能，显著提高CO2产率（21.68 μmolg/h）和CH4产率（22.09 μmolg/h），且CH4的选择性可达80.30%。该项研究可为推动其他C3N4基多孔纳米片异质结构的研究提供参考。

4 催化剂助力储能材料的开发利用

电能是一种可再生能源，多种形式的清洁能源均可转换为电能，如风能、水能、太阳能等。同时电能又是替代化石燃料的重要能源形式之一，若能将清洁能源转换为电能并代替化石能源，将大大降低“双碳”目标实现的难度。如新能源电动车的使用，将极大减少石油的消耗，极大降低汽车尾气向环境中排放的多种有害物质的总量，包括CO，CO2和少量含氮化合物及颗粒物。目前，制约电能高负荷可移动使用的因素是储能电池的局限性，如容量小、充电时间长、成本高等因素，因此，发展高容量、高通量和低成本的电化学储能器具是突破当前新能源电动汽车产业与绿色可再生能源大规模应用障碍的关键，锂硫电池是一种具有理论能量密度高、成本低廉及安全性高等优点的电池材料，是极具应用潜力的后锂离子电池技术。然而，锂硫电池受到正极溶解沉积储能机制的影响，其自身具有一定的性能缺陷性，如放电产物电导率低、电化学反应势垒大、活性物质体积容易变化等。除此以外，限制锂硫电池性能提升的最主要原因为多硫化物Li2Sn 的穿梭效应，该效应使得活性物质硫不可逆流失以及锂负极钝化，同时大量消耗电解液，影响锂硫电池循环寿命，制约其产业化进程。有学者提出将催化剂引入锂硫电池反应体系中，控制反应速率，减少可溶性Li2Sn 在电解液中的累积，从而达到在“准源头”控制穿梭效应的目的，提高电池寿命，降低电池的使用成本，减少清洁能源的普及障碍［19］。Xiang Li［20］课题组研制出能量密度高、原材料成本低廉且结构简单的Li－CO2电池，该电池放电时可将空气中的CO2还原固定，生成的碳材料可用作燃料和化工原料，为CO2资源化利用提供了新途径。CO2的存在会使该电池体系生成可分解的Li2CO3，由此可见，可将CO2利用在可充放的锂电池中作为正极活性成分储能，但该体系目前充放电机理尚不完全清楚，面临着还未找到高效正极催化材料和稳定电极液的问题。Li－CO2电池的概念相对较新，为实现CO2在能源储存与转化领域中的应用开辟了思路，并可为Li－CO2电池向锂空气电池的飞跃提供参考。

5 结语

化石燃料的使用最终向环境中排放了大量的温室气体，引起全球平均气温升高、极端天气频发、海平面上升等一系列问题，严重威胁人类的生存空间和经济发展。新型高效催化剂的制备对碳减排和碳利用具有重要的作用，开发高效能催化剂一方面有助于将CO2等温室气体转换为高附加值的能源，另一方面可以提高储氢储能系统的性能，加速在“双碳”目标推进过程中化石能源替代品的研发和使用。