溫室氣體排放導致全球變暖是人類發(fā)展所面臨的重大危機。為了緩解這一危機，《巴黎氣候協(xié)定》指出到2100年時，全球溫度升幅需要控制在相對于第一次工業(yè)革命前的2℃以內(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，二氧化碳的化學還原制高附加值產(chǎn)品在國內(nèi)外的研究中呈現(xiàn)出了井噴的態(tài)勢。然而與學術(shù)界的持續(xù)升溫形成強烈反差的是，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和國際能源署（IEA）卻因為全球高附加值產(chǎn)品整體規(guī)模的理論上限遠低于減排所需量，將二氧化碳的化學還原排除在主要減排策略之外。鑒于為實現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》中各國政府一致設(shè)定的溫控目標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用亟需系統(tǒng)的研究。

上?？萍即髮W物質(zhì)學院林柏霖課題組建立了二氧化碳減排新理論，創(chuàng)造性地用兩個簡單的公式來定量描述途徑眾多、過程復雜的二氧化碳減排過程，首次提供了簡便系統(tǒng)的量化指標，可用于定量比較各種具有不同碳價態(tài)的二氧化碳電化學還原產(chǎn)物的本征減排能力，并定量推導出實現(xiàn)凈負排放的前提條件，為利用化石能源或者低碳能源驅(qū)動的電化學固定二氧化碳法，實現(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固定法的兩個質(zhì)量單位能量化方程

圖文解析：

根據(jù)IPCC的統(tǒng)計，目前全球二氧化碳的年度排放量約為410億噸，其主要來源是化石能源的燃燒，而美國能源情報署（EIA）的預測表明，化石能源的絕對燃燒量至少在2040年之前都將繼續(xù)增長?；茉丛诙虝r間內(nèi)仍是全人類能使用的最大能量形式。然而“全球碳計劃”（The Global Carbon Project）公布，為達成溫控目標所估測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

文章針對不同的減排策略，首次提出了由 “減排效率”、“儲存穩(wěn)定性”和“經(jīng)濟成本”三個重要指標構(gòu)成的“黃金三角形”概念，用于定性評判二氧化碳減排策略的可行性。文章對IEA等權(quán)威機構(gòu)報導的數(shù)據(jù)進行深入分析，提出具有良好“儲存穩(wěn)定性”的二氧化碳的化學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）的提供了一個有益的補充。

作者以電化學還原二氧化碳（ERC）為例，提出對二氧化碳排放量和固定量進行質(zhì)量單位能量化的概念，實現(xiàn)用兩個簡潔的公式對多種多樣二氧化碳減排過程的質(zhì)量和能量關(guān)系進行了統(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，得到不同還原產(chǎn)物對應的減排因子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)移個數(shù)n和標準電池電勢E^°_cell決定，直接反映ERC通過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態(tài)的二氧化碳電化學固定產(chǎn)物的本征減排能力。定量計算表明，σ隨還原過程電子轉(zhuǎn)移個數(shù)n的增大而減小，且n的影響遠大于E^°_cell。標準二氧化碳排放量W^°_CO2,emitted表示通過生命周期分析法計算出的各種化石能源發(fā)電技術(shù)單位發(fā)電量對應的二氧化碳排放量。通過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ERC得到特定還原產(chǎn)物是否有潛力實現(xiàn)二氧化碳凈負排放。作者通過這種系統(tǒng)比較意外發(fā)現(xiàn)，將二氧化碳還原為較高碳價態(tài)的非氣態(tài)產(chǎn)物（還原過程中較小的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n）的電化學過程存在利用化石能源實現(xiàn)二氧化碳減排的可能性。

圖5： 化石能源驅(qū)動二氧化碳電化學還原 (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（標準二氧化碳排放量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），天然氣燃氣輪機發(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)物的相對能量隨其平均碳價態(tài)的分布圖，用于理解化石能源驅(qū)動ERC實現(xiàn)凈負排放的可行性。 

作者接下來考慮電解質(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，并獲得定量計算減排效率η的簡潔公式。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，后者因為產(chǎn)物的分離提純造成了大量的額外碳排放，而前者則避免了這一問題。對二氧化碳還原固化來講，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)來有效減小修正因子δ，是實現(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減排效率η的影響，并以還原產(chǎn)物草酸為例，詳細計算出了使用各種不同的電來實現(xiàn)凈負排放的前提條件，給出了可行的技術(shù)路線。例如NGCC電力驅(qū)動ERC以60%的電池效率還原二氧化碳至草酸，最高可實現(xiàn)141%的減排效率。隨著CE的提升，減排效率也會隨之大幅提升至接近300%?；茉打?qū)動二氧化碳還原成草酸可以實現(xiàn)較高的凈減排效率，并可以作為一種無毒固體被便捷地儲存，甚至在需要時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。

使用包括太陽能、風能在內(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?，極高的減排效率使電化學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ERC得到草酸為例，探究電池效率等因素對減排效率的影響。

單位能量化的二氧化碳排放量、固定量和兩個質(zhì)量單位能量化方程，還可用來方便地估算碳價格，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算。 

雖然太陽能和風能等低碳能源增長快速，溫控目標的最終實現(xiàn)也離不開低碳能源的持續(xù)發(fā)展，但是其規(guī)模在近期尚不足以驅(qū)動二氧化碳還原來滿足減排的需求。鑒于剩余碳配額的快速消耗，溫控目標的達成很有可能無法等到低碳能源足夠成熟之時。該研究首次從理論和規(guī)律上為二氧化碳化學固定這一減排策略在低碳能源之外，打開了化石能源這一扇大門，進而為低碳能源的成熟和發(fā)展，并最終實現(xiàn)溫控目標創(chuàng)造更多的機會。 

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