溫室氣體排放導(dǎo)致全球變暖是人類(lèi)發(fā)展所面臨的重大危機(jī)。為了緩解這一危機(jī)，《巴黎氣候協(xié)定》指出到2100年時(shí)，全球溫度升幅需要控制在相對(duì)于第一次工業(yè)革命前的2℃以?xún)?nèi)。這要求全球大規(guī)模減少以二氧化碳為主的溫室氣體的排放。

 在此背景下，二氧化碳的化學(xué)還原制高附加值產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外的研究中呈現(xiàn)出了井噴的態(tài)勢(shì)。然而與學(xué)術(shù)界的持續(xù)升溫形成強(qiáng)烈反差的是，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）和國(guó)際能源署（IEA）卻因?yàn)槿蚋吒郊又诞a(chǎn)品整體規(guī)模的理論上限遠(yuǎn)低于減排所需量，將二氧化碳的化學(xué)還原排除在主要減排策略之外。鑒于為實(shí)現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》中各國(guó)政府一致設(shè)定的溫控目標(biāo)而估算出的碳排放配額很可能在2040年之前耗盡，二氧化碳化學(xué)還原作為一種受到廣泛關(guān)注的技術(shù)手段，其在減排中的可能應(yīng)用亟需系統(tǒng)的研究。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院林柏霖課題組建立了二氧化碳減排新理論，創(chuàng)造性地用兩個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)定量描述途徑眾多、過(guò)程復(fù)雜的二氧化碳減排過(guò)程，首次提供了簡(jiǎn)便系統(tǒng)的量化指標(biāo)，可用于定量比較各種具有不同碳價(jià)態(tài)的二氧化碳電化學(xué)還原產(chǎn)物的本征減排能力，并定量推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)凈負(fù)排放的前提條件，為利用化石能源或者低碳能源驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)固定二氧化碳法，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減排提供理論依據(jù)。

圖1： 用于量化二氧化碳電化學(xué)固定法的兩個(gè)質(zhì)量單位能量化方程

圖文解析：

根據(jù)IPCC的統(tǒng)計(jì)，目前全球二氧化碳的年度排放量約為410億噸，其主要來(lái)源是化石能源的燃燒，而美國(guó)能源情報(bào)署（EIA）的預(yù)測(cè)表明，化石能源的絕對(duì)燃燒量至少在2040年之前都將繼續(xù)增長(zhǎng)?；茉丛诙虝r(shí)間內(nèi)仍是全人類(lèi)能使用的最大能量形式。然而“全球碳計(jì)劃”（The Global Carbon Project）公布，為達(dá)成溫控目標(biāo)所估測(cè)的二氧化碳可供排放額度截至2016年僅剩約8000億噸。據(jù)此，文章做出了如果不盡快采取大規(guī)模二氧化碳減排的措施，剩余的碳配額很有可能在大約20年內(nèi)耗盡的判斷。

圖2：需大規(guī)模二氧化碳減排的革新性策略

文章針對(duì)不同的減排策略，首次提出了由 “減排效率”、“儲(chǔ)存穩(wěn)定性”和“經(jīng)濟(jì)成本”三個(gè)重要指標(biāo)構(gòu)成的“黃金三角形”概念，用于定性評(píng)判二氧化碳減排策略的可行性。文章對(duì)IEA等權(quán)威機(jī)構(gòu)報(bào)導(dǎo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，提出具有良好“儲(chǔ)存穩(wěn)定性”的二氧化碳的化學(xué)還原法除了可以用于生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品之外，還為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減排提供了二氧化碳固化（將二氧化碳轉(zhuǎn)化為非氣態(tài)產(chǎn)物）這一潛力巨大的策略，為二氧化碳的捕集和直接封存（CCS）的提供了一個(gè)有益的補(bǔ)充。

作者以電化學(xué)還原二氧化碳（ERC）為例，提出對(duì)二氧化碳排放量和固定量進(jìn)行質(zhì)量單位能量化的概念，實(shí)現(xiàn)用兩個(gè)簡(jiǎn)潔的公式對(duì)多種多樣二氧化碳減排過(guò)程的質(zhì)量和能量關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)一描述。首先，基于二氧化碳還原和水氧化的全電池電解反應(yīng)，得到不同還原產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的減排因子σ這一物理常數(shù)，σ與電池效率（CE）的乘積即可得到單位能量可以還原的二氧化碳質(zhì)量W^°_ERC。減排因子由二氧化碳到還原產(chǎn)物的電子轉(zhuǎn)移個(gè)數(shù)n和標(biāo)準(zhǔn)電池電勢(shì)E^°_cell決定，直接反映ERC通過(guò)消耗單位能量的二氧化碳本征固定量，可用于定量比較各種具有不同碳價(jià)態(tài)的二氧化碳電化學(xué)固定產(chǎn)物的本征減排能力。定量計(jì)算表明，σ隨還原過(guò)程電子轉(zhuǎn)移個(gè)數(shù)n的增大而減小，且n的影響遠(yuǎn)大于E^°_cell。標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳排放量W^°_CO2,emitted表示通過(guò)生命周期分析法計(jì)算出的各種化石能源發(fā)電技術(shù)單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量。通過(guò)比較單位能量化的二氧化碳固定量和排放量，可以直觀地判斷在理想情況下，化石能源驅(qū)動(dòng)ERC得到特定還原產(chǎn)物是否有潛力實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈負(fù)排放。作者通過(guò)這種系統(tǒng)比較意外發(fā)現(xiàn)，將二氧化碳還原為較高碳價(jià)態(tài)的非氣態(tài)產(chǎn)物（還原過(guò)程中較小的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n）的電化學(xué)過(guò)程存在利用化石能源實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的可能性。

圖5： 化石能源驅(qū)動(dòng)二氧化碳電化學(xué)還原 (A) 各種化石能源發(fā)電技術(shù)單位能量化的二氧化碳排放量（標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳排放量W^°_CO2,emitted）：循環(huán)流化床發(fā)電（FB），亞臨界燃煤發(fā)電（Sub），整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC），超臨界燃煤發(fā)電（Super），天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電（NGCT），天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（NGCC）；(B)比較單位能量化的二氧化碳固定量σ和排放量W^°_CO2,emitted；(C)還原產(chǎn)物的相對(duì)能量隨其平均碳價(jià)態(tài)的分布圖，用于理解化石能源驅(qū)動(dòng)ERC實(shí)現(xiàn)凈負(fù)排放的可行性。 

作者接下來(lái)考慮電解質(zhì)消耗、氣體壓縮、電解液循環(huán)等輔助操作以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成的額外二氧化碳排放，引入單位能量化的質(zhì)量修正因子δ，并獲得定量計(jì)算減排效率η的簡(jiǎn)潔公式。文章分析指出，二氧化碳還原固化與制高附加值產(chǎn)品的最大不同在于產(chǎn)物的分離提純，后者因?yàn)楫a(chǎn)物的分離提純?cè)斐闪舜罅康念~外碳排放，而前者則避免了這一問(wèn)題。對(duì)二氧化碳還原固化來(lái)講，電解質(zhì)消耗所造成的額外二氧化碳排放的比例最大，因此采用例如海水或者鹽水溶液等低碳電解質(zhì)來(lái)有效減小修正因子δ，是實(shí)現(xiàn)高減排效率的關(guān)鍵前提條件。

文章定量分析發(fā)電技術(shù)、還原產(chǎn)物、電池效率以及周邊操作對(duì)減排效率η的影響，并以還原產(chǎn)物草酸為例，詳細(xì)計(jì)算出了使用各種不同的電來(lái)實(shí)現(xiàn)凈負(fù)排放的前提條件，給出了可行的技術(shù)路線。例如NGCC電力驅(qū)動(dòng)ERC以60%的電池效率還原二氧化碳至草酸，最高可實(shí)現(xiàn)141%的減排效率。隨著CE的提升，減排效率也會(huì)隨之大幅提升至接近300%?；茉打?qū)動(dòng)二氧化碳還原成草酸可以實(shí)現(xiàn)較高的凈減排效率，并可以作為一種無(wú)毒固體被便捷地儲(chǔ)存，甚至在需要時(shí)還可以作為大宗化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原材料，是一種優(yōu)良的固化產(chǎn)物。

使用包括太陽(yáng)能、風(fēng)能在內(nèi)的低碳能源將顯著增大ERC的減排效率。低碳發(fā)電技術(shù)驅(qū)動(dòng)ERC得到草酸為例，由于低碳電力排放量W^°_CO2,emitted和周邊操作的額外排放量δ，相較于草酸的減排因子σ?guī)缀蹩梢院雎裕瑯O高的減排效率使電化學(xué)還原固定二氧化碳具有非常大的減排潛力。 

圖7、以低碳發(fā)電技術(shù)驅(qū)動(dòng)ERC得到草酸為例，探究電池效率等因素對(duì)減排效率的影響。

單位能量化的二氧化碳排放量、固定量和兩個(gè)質(zhì)量單位能量化方程，還可用來(lái)方便地估算碳價(jià)格，為制定碳排放稅和建立碳交易系統(tǒng)提供便利的支持。文章在這方面也做出了初步的定量計(jì)算。 

雖然太陽(yáng)能和風(fēng)能等低碳能源增長(zhǎng)快速，溫控目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)也離不開(kāi)低碳能源的持續(xù)發(fā)展，但是其規(guī)模在近期尚不足以驅(qū)動(dòng)二氧化碳還原來(lái)滿(mǎn)足減排的需求。鑒于剩余碳配額的快速消耗，溫控目標(biāo)的達(dá)成很有可能無(wú)法等到低碳能源足夠成熟之時(shí)。該研究首次從理論和規(guī)律上為二氧化碳化學(xué)固定這一減排策略在低碳能源之外，打開(kāi)了化石能源這一扇大門(mén)，進(jìn)而為低碳能源的成熟和發(fā)展，并最終實(shí)現(xiàn)溫控目標(biāo)創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)。 

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