《Journal of Environmental Management》：Advances in carbon capture, conversion, and utilization: A review of sustainable chemical production pathways
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二氧化碳捕获转化与利用技术（CCCU）综述：分析捕获方法（预燃、后燃、富氧燃烧等）、转化技术（光催化、电催化、生物化学）及利用领域（甲烷、碳酸二甲酯、尿素等化学品生产），强调与可再生能源协同的循环经济价值及生命周期评估对商业可行性的关键作用。
Sandeep R. Sahu | Neetu Vishwakarma | Nancy Sharma | Prabal Pratap Singh | Karan Singh | Dinesh Kumar | Mukesh Kumar | Ajit Sharma
印度旁遮普邦Lovely Professional大学化学工程与物理科学学院物理系，邮编144001
摘要
不断上升的碳排放加剧了全球气候变化，迫切需要创新解决方案，这些方案在减少排放的同时也能创造价值。碳捕获、转化和利用（CCCU）是一种变革性技术，它将来自能源和工业源的二氧化碳（CO?）捕获并转化为有价值的燃料、化学品和材料。本文综述了CCCU技术的现状，重点介绍了包括溶剂、固体吸附剂和膜在内的创新材料，以及预燃烧、后燃烧和富氧燃烧等主要的二氧化碳捕获方法。新兴的转化技术包括光催化、电催化和生化途径，特别关注甲醇、二甲基碳酸酯（DMC）、二甲基醚（DME）、尿素和甲酸的合成。文章还探讨了纳米材料和仿生系统在提高转化效率方面的作用。工业案例研究和生命周期评估表明，当与绿色氢等可再生能源结合使用时，CCCU在经济和环境上都是可行的。
尽管取得了显著进展，但CCCU仍面临与能源消耗、可扩展性和政策支持相关的技术、经济和基础设施挑战。展望未来，研究应致力于开发能够在单一过程中同时实现捕获和转化的混合系统，开发更先进的催化剂，设计灵活的模块化反应器，并利用机器学习提高效率。通过将CCCU整合到循环经济框架和工业共生模式中，可以充分发挥其潜力。CCCU通过将二氧化碳废物转化为有价值的资源来促进脱碳，从而实现经济增长与环境责任的统一，并促进可持续发展。本综述重点关注CCCU的商业可行性。会议强调了技术创新和战略实施在建立低碳、气候适应型未来中的关键作用。
引言
碳捕获、转化和利用（CCCU）正在推动化学生产向更加可持续的方向发展。CCCU技术不仅防止工业过程中的二氧化碳被浪费，还能将其转化为燃料、塑料和其他必需化学品等有用物质。这种方法通过限制有害碳排放并减少对化石燃料的依赖，促进了循环碳经济的发展。利用光催化、电催化和生化工艺等尖端技术，二氧化碳可以转化为甲醇、甲酸和碳酸盐等有用副产品。纳米材料和仿生催化剂的突破使这些过程更加高效和有效（Ghazi等人，2024年）。随着我们向更绿色的产业转型，开发和改进CCCU技术将是将污染转化为效率的关键（Li等人，2024年）。
由于二氧化碳等温室气体的增加所引发的气候危机，无论是在能源、交通、建筑还是工业领域，都面临着大幅削减碳排放的压力。政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议在2040年至2060年间实现净零二氧化碳排放，以实现《巴黎协定》将全球温度变化限制在1.5-2°C的目标（Rackley，2023年）。从根本上说，这场危机源于人类打破了自然碳循环的平衡。虽然地球在岩石、水和生物体中储存了大量碳，但大气中的碳储量相对较少，仅约为800GtC，并且对变化反应迅速（Kravchenko等人，2025年）。尽管人类每年排放约10GtC，这一数量低于自然每年交换的约100GtC，但仍足以打破工业化前的平衡并增加温室气体浓度。
碳捕获和利用（CCCU）通过将二氧化碳排放转化为化学品和塑料的有价值原料，重新定义了可持续的化学生产方式，为传统的基于化石燃料的方法提供了清洁替代方案。从“摇篮到大门”的生命周期角度来看，CCCU对温室气体排放有三重影响：它直接捕获二氧化碳，替代了传统原材料和能源使用过程中的排放，并在捕获和转化过程中产生自身排放。最近对CCCU技术的生命周期评估表明，避免的排放与新增排放之间的平衡对于评估其真正的环境效益至关重要（Chahrour等人，2025年）。
许多CCCU技术的一个关键优势是它们与可再生能源的兼容性，尤其是与通过可再生电力电解产生的氢气结合使用时。这种协同作用意味着CCCU可以实现化学生产的脱碳。然而，传统的评估往往只关注最终产品中锁定的二氧化碳，而忽略了其全面的影响（Zantye等人，2021年）。根据生命周期研究，与聚氨酯兼容的基于二氧化碳的多元醇每千克聚合物可以吸收0.1–0.3千克二氧化碳，并且根据化石衍生的环氧树脂或环氧丙烷的替代程度以及所使用的能源类型，每千克产品可以减少0.5–2.5千克的二氧化碳当量排放（Allahyarzadeh和Sharifzadeh，2026年）。我们现在明确指出了被替代的传统产品的组成，并澄清了这些积极副作用完全取决于从摇篮到大门系统的边界、低碳能源输入和确认的替代效果（Nagireddi等人，2024a）。本文的另一个优点是要求对所有CCCU路径进行从摇篮到大门的生命周期评估，考虑了能源、材料和加工使用过程中的残余排放以及其他排放，从而保证了透明度和政策相关性（Khazanedari等人，2025年）。这样的全面分析展示了CCU推动可持续和低碳化学产业的真正潜力（Santhappan等人，2025年）。
二氧化碳的光催化转化适用于低品质太阳能、低纯度或杂质二氧化碳以及小规模或分散式生产（Nakajima等人，2016年）。与热催化方法相比，光催化方法在常温常压下运行，能够处理非常低浓度的二氧化碳（如大气或烟气中的浓度），并且不需要高能量输入来生产氢气或在高压下操作（Kova?i?等人，2020年）。因此，光催化更适合用于小规模、低强度的应用，而不是工业规模的燃料或化学品合成（Ulmer等人，2019年）。
图1展示了一种循环利用策略，将二氧化碳从废弃物转化为多种工业用途的有用资源。电化学还原二氧化碳为甲醇是一种有前景的可持续燃料生产技术，已得到广泛研究（Atsbha等人，2021年）。催化氢化利用氢气将二氧化碳转化为碳氢化合物，通常通过逆水煤气变换（RWGS）过程和费托合成实现。二氧化碳还可以矿化成稳定的碳酸盐，这些碳酸盐越来越多地用于低碳建筑策略中的建筑材料（Matieva等人，2024年）。在聚合物合成中，二氧化碳通过与环氧树脂共聚生成聚碳酸酯和聚氨酯，既减少了排放又增加了材料价值（Atsbha等人，2021年）。二氧化碳还在生物途径中发挥作用，例如在基于藻类的系统中，它作为光合作用生产生物燃料的碳源（Jiang等人，2023年）。
全球化学工业对当代社会至关重要，但由于其依赖于基于化石燃料的原料和能源，它仍然是温室气体排放的重要来源。随着世界向低碳经济转型，CCCU已成为一个改变游戏规则的技术。它将二氧化碳这种废弃物转化为有价值的化学原料，为清洁化学品制造铺平了直接路径（Sadhukhan等人，2025年）。然而，CCCU的真实气候潜力仍有争议，主要是因为许多评估仅关注产品中锁定的二氧化碳，而不是整个价值链中节省的绝对排放量。为了解决这个问题，我们的综述采用了从摇篮到大门的广泛生命周期视角，提供了更为全面的评估。本文旨在通过整合领先的CCCU技术，通过关键排放避免参数评估其气候影响，并探讨其与可再生能源的协同作用，从而消除误解（Cuéllar-Franca和Azapagic，2015年）。最终，我们的目标是建立一个基于证据的基础，为政策制定提供信息，指导投资，支持战略规划，并确立CCCU作为可持续循环化学产业的基石。
碳捕获是CCCU的基石，它从烟气或合成气体流中分离出二氧化碳，然后将其储存或转化为增值产品，如表1所示。四种基本的技术路径——预燃烧、后燃烧、富氧燃烧和化学循环燃烧，在效率、集成潜力和能源需求方面各具特点，如图2所示。
最近在捕获材料方面的进展，特别是化学溶剂……
为了实现循环碳经济，捕获的二氧化碳必须转化为可用的化学品、燃料或材料。这种转化可以通过化学、生物或电化学途径实现，如图9所示。每种途径都依赖于不同的反应机制和针对二氧化碳原料和目标产品的催化系统。表4给出了碳捕获转化路径的分析。
CCCU的总体目标是将储存的二氧化碳转化为可增值的化学产品，以替代化石燃料制成的产品（Yousaf等人，2022年）。许多工业化合物，如甲醇、DME、DMC和尿素，都可以使用二氧化碳作为碳原料（Santiago等人，2022年）。这些产品不仅实现了碳的回收，还为循环碳经济的发展做出了重要贡献，尤其是在与可持续能源结合使用时
尽管CCCU取得了显著进展，但其广泛的应用仍受到各种技术、经济和环境挑战的阻碍。技术挑战包括能源效率低、材料降解以及捕获和转化技术的规模化困难（Wu等人，2023年）。从经济角度来看，高昂的资本成本和缺乏健全的碳定价机制削弱了其商业可行性。从政策角度来看，监管框架分散且不足……
加速向低碳、更可持续的化学产业转型的最重要策略之一是CCCU。CCCU技术减少了工业对化石燃料的依赖，同时通过将二氧化碳这种重要的温室气体转化为有价值的燃料、化学品和矿物来降低气候变化。结合光催化、电催化和生物催化等尖端转化技术以及溶剂、固体吸附剂等先进的捕获技术……
Sandeep R. Sahu：撰写原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析。
Neetu Vishwakarma：撰写原始草稿、监督、资源提供、方法论、研究。
Nancy Sharma：撰写原始草稿、软件使用、资源提供、方法论、正式分析。
Prabal Pratap Singh：撰写与编辑、可视化、方法论、正式分析、概念构思。
Karan Singh：撰写原始草稿、验证、软件使用、项目管理。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
