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我國能源革命和碳中和是一場真正的硬仗，面臨的主要問題是：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，第二產(chǎn)業(yè)GDP貢獻(xiàn)約40%，能源消費(fèi)占比約68%；能源結(jié)構(gòu)偏煤，2022年煤炭消費(fèi)占比56%；綜合效率偏低，大約60%的能源消耗在工業(yè)用能上，工業(yè)碳排放占比在65%以上。從化工領(lǐng)域看，生產(chǎn)合成氨、乙烯、甲醇、丙烯等化學(xué)品的排放量占很大比例，所以大宗化學(xué)品減排是非常重要的方面。

化石能源的利用分為氧化過程和還原過程。氧化過程，即用來燃燒發(fā)電或者產(chǎn)熱；還原過程，即用作煉鋼、化工等工藝的還原劑。碳和氫都可以用作燃料，也都可以用作還原劑，而碳的氧化過程（C+O₂→CO₂+△H）和還原過程（MO_x+C→M+CO₂）均產(chǎn)生大量二氧化碳，需要通過CCUS、生物質(zhì)利用、植樹、海洋碳匯、土壤吸附等負(fù)碳技術(shù)減排；氫的氧化過程（H₂+O₂→H₂O+△H）和還原過程（MO_x+H₂→M+H₂O）則很清潔。更重要的是，氫可以通過可再生能源發(fā)電然后電解水獲取。從我國當(dāng)前的情況看，化石能源在未來一段時(shí)間內(nèi)還是基礎(chǔ)，而可再生能源則是根本，氫能技術(shù)是關(guān)鍵，負(fù)碳技術(shù)是未來，沒有可再生能源，能源革命和碳中和就無從談起。

在前不久舉辦的中國石化科技創(chuàng)新未來發(fā)展論壇上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長包信和分析了“雙碳”背景下石化科技面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本版整理刊發(fā)部分觀點(diǎn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

本版文字由本報(bào)記者 程 強(qiáng) 整理

煤化工的創(chuàng)新路線：如何不排放二氧化碳

寧夏能化銀星二號(hào)煤礦。李樹睿 攝

可以肯定的是，在未來相當(dāng)長一段時(shí)間，化石能源仍是主要能源，必須通過更好地優(yōu)化利用化石能源實(shí)現(xiàn)碳減排。我國的能源稟賦是液體能源較少，其中石油對(duì)外依存度超過70%，因此，有必要把資源稟賦相對(duì)較好的煤部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或者燃料。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2060年，煤的物質(zhì)化利用在煤的利用中會(huì)占較大比例，煤化工在未來一段時(shí)間內(nèi)對(duì)我國還是非常重要的。

煤化工的傳統(tǒng)路線是，煤首先要加氧氣化（C(H)+O₂→CO+H₂），變成合成氣，合成氣通過催化的方法可以得到不同的產(chǎn)品：通過費(fèi)托合成可以得到石蠟、柴油，或者烯烴、汽油；通過堿金屬摻雜可以得到混合醇；通過催化可以得到甲醇、乙醇；通過羥基合成可以得到醛、醇、酸；通過水氣變換（CO+H₂O→H₂+CO₂）可以得到氫氣，進(jìn)一步制取合成氨。這一傳統(tǒng)路線的問題有三個(gè)：一是排放二氧化碳；二是消耗大量的水；三是選擇性不高，合成產(chǎn)物從碳1到碳100都有分布。這是未來基礎(chǔ)研究應(yīng)該解決的問題。

煤氣化的氫碳比是1∶2，即H₂+CO+CO，反應(yīng)得到CH₂中間體，這就要去掉其中一個(gè)CO的O和另一個(gè)CO。延續(xù)百年的傳統(tǒng)方法是用水跟一氧化碳反應(yīng)生成氫和二氧化碳，即CO+H₂O→CO₂+H₂，生成的氫再與另一個(gè)一氧化碳的氧反應(yīng)生成水。這個(gè)過程中，要用水生成氫，后面又生成廢水，所以傳統(tǒng)方法耗水，而且有碳排放。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的OXZEO過程，可將其中一個(gè)CO的O和另一個(gè)CO直接合成生成二氧化碳，碳排放總量不變，但不需要水的循環(huán)，工藝簡單，通過氧化物和分子篩的控制可以實(shí)現(xiàn)較高選擇性。未來如果有足夠的廉價(jià)綠氫，又可以與生成的二氧化碳反應(yīng)得到CH₂中間體，實(shí)現(xiàn)零排放。

煤氣化會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，因?yàn)橐獙?duì)煤加氧進(jìn)行氣化，生成一氧化碳（2C+O₂→2CO），而變換時(shí)又要把一氧化碳的氧拿走（CO+H₂O→CO₂+H₂），所以生成了二氧化碳。未來煤化工要想真正不排放二氧化碳，就要用其他方法對(duì)煤進(jìn)行活化轉(zhuǎn)化，這就要通過綠氫直接生成烴類、油品等（H₂+CO+H₂（綠氫）→CH₂+H₂O），采用復(fù)合催化劑，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品精準(zhǔn)可控、靈活可調(diào)。

煤化工要想不排放二氧化碳，就要在氣化上動(dòng)腦筋。目前，我國制乙炔還是傳統(tǒng)的電石法，生產(chǎn)1噸乙炔要消耗2噸焦炭、7噸石灰石、3噸水、1.2萬千瓦時(shí)電，產(chǎn)生27噸二氧化碳、3.5噸電石渣，以及硫化氫、二氧化硫等酸性氣體。如果將煤粉通過等離子體裂解，在超過1300攝氏度的高溫下，可生成乙炔，副產(chǎn)煤焦、一氧化碳、氫氣等，理論上不產(chǎn)生二氧化碳，生產(chǎn)1噸乙炔只消耗2噸煤、1.5噸水。乙炔可以加氫制乙烯，還可以通過氫氯化制氯乙烯、通過羰基化制含氧化合物。在20世紀(jì)70年代以前，乙炔一直在化工中占有重要地位，是化工產(chǎn)品的重要節(jié)點(diǎn)，而后石油大發(fā)展才變成石油化工制烯烴，乙炔漸漸淡出歷史舞臺(tái)。利用等離子體強(qiáng)化煤裂解制高值化學(xué)品，從零排放的角度看，未來有可能有一部分化工會(huì)重回炔烴時(shí)代。

二氧化碳的利用是從低能到高能，需要熱、光、電催化轉(zhuǎn)化

國內(nèi)首條百萬噸、百公里二氧化碳輸送管道投產(chǎn)運(yùn)行。夏兆明 梁世英 攝影報(bào)道

二氧化碳的來源包括化石燃料、工業(yè)過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質(zhì)埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產(chǎn)、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動(dòng)力系統(tǒng)，以及用于食品、飲料、焊接、醫(yī)療等行業(yè)；轉(zhuǎn)化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學(xué)品，以及制造建筑材料等。

我國二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化利用面臨的科學(xué)難題包括：一是規(guī)模不對(duì)等，我國最大宗的化學(xué)品乙烯年產(chǎn)量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學(xué)利用，變成高能量的化學(xué)品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學(xué)利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應(yīng)的特殊體系來轉(zhuǎn)化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。

轉(zhuǎn)化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉(zhuǎn)化，本質(zhì)上是可再生能源的儲(chǔ)存和搬運(yùn)。沒有可再生能源，二氧化碳轉(zhuǎn)化就無從談起。

二氧化碳的轉(zhuǎn)化方法包括熱催化過程、光化學(xué)過程、電化學(xué)過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產(chǎn)出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO₂+6H₂→CH₂CH₂+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產(chǎn)出205元。簡單分析，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性是很難的。因此，二氧化碳的交易價(jià)格、氫的價(jià)格、煤的價(jià)格，決定了二氧化碳熱催化轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，這是很大的挑戰(zhàn)。

光化學(xué)過程可以建設(shè)太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉(zhuǎn)化為氫能、燃料、化學(xué)品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉(zhuǎn)化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學(xué)品，轉(zhuǎn)化效率非常低，遠(yuǎn)不及熱催化和電催化，未來需要在光反應(yīng)和催化劑上下功夫。中國科學(xué)院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化碳高效還原，在生物反應(yīng)裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達(dá)到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時(shí)電，通過途徑改造，能效提高空間很大。

這三個(gè)方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉(zhuǎn)化，最近也有一些好的進(jìn)展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產(chǎn)甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電47千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價(jià)合適，電化學(xué)方法的經(jīng)濟(jì)性是可以比肩熱催化的。但一個(gè)很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學(xué)的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉(zhuǎn)化未來努力的方向是穩(wěn)定性和可放大性。

氫是可再生能源的搬運(yùn)工，可以有效降低流程工業(yè)碳排放

新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目。 汪凌康 攝

當(dāng)前的能源系統(tǒng)以化石能源為主，為終端用戶提供電力和液體燃料；未來的能源系統(tǒng)以核能和可再生能源為主，為終端用戶提供氫能和電力。氫能與未來能源系統(tǒng)可以很好地耦合。據(jù)中國石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院預(yù)測，到2060年，我國氫產(chǎn)量將達(dá)1.2億噸，其中綠氫有1億噸的規(guī)模。

套用一句廣告詞——?dú)涫强稍偕茉吹陌徇\(yùn)工。沒有可再生能源就不要談氫能。氫是二次能源，像電一樣，沒有一次能源就不要談電。綠氫的關(guān)鍵是可再生能源的獲得和氫的制備。

目前幾種電解水制氫技術(shù)各有所長：堿性電解水制氫，電解效率在60%~75%，工作溫度在70~90攝氏度，已商業(yè)化廣泛應(yīng)用；質(zhì)子交換膜電解水制氫，電解效率在80%~90%，工作溫度在70~80攝氏度，已部分商業(yè)化應(yīng)用；固體氧化物電解水制氫，電解效率在85%~100%，工作溫度在600~1000攝氏度，處于樣機(jī)示范運(yùn)行階段。采用這幾種技術(shù)，1立方米氫消耗3.5~4.2千瓦時(shí)電，未來降低氫的價(jià)格主要是降低設(shè)備的投資。

此外，固體聚合物（SPE）電解水制氫技術(shù)優(yōu)勢明顯：電解純水，無腐蝕污染；響應(yīng)快，可與風(fēng)能、太陽能結(jié)合；氫氣純度高，在99.99%以上；電解效率高，能耗低，無堿霧凈化裝置。中國科學(xué)院大連化物所研制的260千瓦SPE電解槽，電解效率達(dá)86%，極限為1立方米氫氣消耗3.54千瓦時(shí)電。大規(guī)模SPE電解水制氫面臨的挑戰(zhàn)是，如何降低貴金屬的用量、研制高效廉價(jià)的膜材料等。

預(yù)計(jì)到2050年，電解水制氫的價(jià)格要低于煤制氫的價(jià)格，屆時(shí)，我國氫消費(fèi)量將達(dá)8100萬噸，氫能總產(chǎn)值達(dá)1.6萬億元。

氫可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)存和傳輸。可再生能源電解水制得的氫，可以直接通過輸氫管道輸送，也可以制合成氨或甲醇，技術(shù)上沒有難度，關(guān)鍵是經(jīng)濟(jì)性。

我國很大一部分二氧化碳排放來自流程工業(yè)，與綠氫耦合可以有效降低碳排放。如高爐煉鋼，2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.65億噸，排放二氧化碳14.7億噸。現(xiàn)在是用一氧化碳、甲烷等還原，未來如果用氫來還原氧化鐵變成金屬鐵，會(huì)很好地解決碳排放問題。預(yù)計(jì)到2050年，低碳（氫）冶金占比將在50%左右。在水泥行業(yè)，我國2020年水泥產(chǎn)量23.95億噸，排放二氧化碳14.2億噸，主要是將碳酸鈣煅燒成氧化鈣排放，可以把煅燒變成還原，用碳或氫將碳酸鈣還原為氧化鈣。

水泥生產(chǎn)如果用粉煤中的碳還原碳酸鈣，可以得到一氧化碳。一氧化碳又可以與鋼鐵生產(chǎn)耦合，將氧化鐵還原為金屬鐵。兩個(gè)過程采用綠電和高效等離子體加熱的方法，可以實(shí)現(xiàn)水泥和鋼鐵生產(chǎn)的耦合，既簡化了工藝，又降低了排放。

二氧化碳的來源包括化石燃料、工業(yè)過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質(zhì)埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產(chǎn)、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動(dòng)力系統(tǒng)，以及用于食品、飲料、焊接、醫(yī)療等行業(yè)；轉(zhuǎn)化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學(xué)品，以及制造建筑材料等。

我國二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化利用面臨的科學(xué)難題包括：一是規(guī)模不對(duì)等，我國最大宗的化學(xué)品乙烯年產(chǎn)量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學(xué)利用，變成高能量的化學(xué)品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學(xué)利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應(yīng)的特殊體系來轉(zhuǎn)化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。

轉(zhuǎn)化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉(zhuǎn)化，本質(zhì)上是可再生能源的儲(chǔ)存和搬運(yùn)。沒有可再生能源，二氧化碳轉(zhuǎn)化就無從談起。

二氧化碳的轉(zhuǎn)化方法包括熱催化過程、光化學(xué)過程、電化學(xué)過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產(chǎn)出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO₂+6H₂→CH₂CH₂+4H₂O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產(chǎn)出205元。簡單分析，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性是很難的。因此，二氧化碳的交易價(jià)格、氫的價(jià)格、煤的價(jià)格，決定了二氧化碳熱催化轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，這是很大的挑戰(zhàn)。

光化學(xué)過程可以建設(shè)太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉(zhuǎn)化為氫能、燃料、化學(xué)品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉(zhuǎn)化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學(xué)品，轉(zhuǎn)化效率非常低，遠(yuǎn)不及熱催化和電催化，未來需要在光反應(yīng)和催化劑上下功夫。中國科學(xué)院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化碳高效還原，在生物反應(yīng)裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達(dá)到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時(shí)電，通過途徑改造，能效提高空間很大。

這三個(gè)方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉(zhuǎn)化，最近也有一些好的進(jìn)展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產(chǎn)甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電47千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價(jià)合適，電化學(xué)方法的經(jīng)濟(jì)性是可以比肩熱催化的。但一個(gè)很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學(xué)的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉(zhuǎn)化未來努力的方向是穩(wěn)定性和可放大性。

二氧化碳的來源包括化石燃料、工業(yè)過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質(zhì)埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產(chǎn)、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動(dòng)力系統(tǒng)，以及用于食品、飲料、焊接、醫(yī)療等行業(yè)；轉(zhuǎn)化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學(xué)品，以及制造建筑材料等。

我國二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化利用面臨的科學(xué)難題包括：一是規(guī)模不對(duì)等，我國最大宗的化學(xué)品乙烯年產(chǎn)量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學(xué)利用，變成高能量的化學(xué)品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學(xué)利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應(yīng)的特殊體系來轉(zhuǎn)化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。

轉(zhuǎn)化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉(zhuǎn)化，本質(zhì)上是可再生能源的儲(chǔ)存和搬運(yùn)。沒有可再生能源，二氧化碳轉(zhuǎn)化就無從談起。

二氧化碳的轉(zhuǎn)化方法包括熱催化過程、光化學(xué)過程、電化學(xué)過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產(chǎn)出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產(chǎn)出205元。簡單分析，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性是很難的。因此，二氧化碳的交易價(jià)格、氫的價(jià)格、煤的價(jià)格，決定了二氧化碳熱催化轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，這是很大的挑戰(zhàn)。

光化學(xué)過程可以建設(shè)太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉(zhuǎn)化為氫能、燃料、化學(xué)品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉(zhuǎn)化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學(xué)品，轉(zhuǎn)化效率非常低，遠(yuǎn)不及熱催化和電催化，未來需要在光反應(yīng)和催化劑上下功夫。中國科學(xué)院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化碳高效還原，在生物反應(yīng)裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達(dá)到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時(shí)電，通過途徑改造，能效提高空間很大。

這三個(gè)方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉(zhuǎn)化，最近也有一些好的進(jìn)展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產(chǎn)甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電47千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價(jià)合適，電化學(xué)方法的經(jīng)濟(jì)性是可以比肩熱催化的。但一個(gè)很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學(xué)的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉(zhuǎn)化未來努力的方向是穩(wěn)定性和可放大性。

二氧化碳的來源包括化石燃料、工業(yè)過程、生物過程、地下礦藏、大氣等。目前，二氧化碳捕集并直接地質(zhì)埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增產(chǎn)、提高石油采收率、作為傳熱流體用于超臨界動(dòng)力系統(tǒng)，以及用于食品、飲料、焊接、醫(yī)療等行業(yè)；轉(zhuǎn)化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化學(xué)品，以及制造建筑材料等。

我國二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化利用面臨的科學(xué)難題包括：一是規(guī)模不對(duì)等，我國最大宗的化學(xué)品乙烯年產(chǎn)量在6000萬~7000萬噸，是二氧化碳排放量的幾百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化學(xué)利用，變成高能量的化學(xué)品，就一定要活化，加入超過100%的能量；三是我國貧氫，而二氧化碳化學(xué)利用需要加入大量的氫，目前我國氫主要來自化石能源。所以，二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化非常困難，除非是在富氫、富能和二氧化碳插入反應(yīng)的特殊體系來轉(zhuǎn)化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。

轉(zhuǎn)化二氧化碳需要加入的能量和氫，要靠可再生能源來提供。因此，二氧化碳的轉(zhuǎn)化，本質(zhì)上是可再生能源的儲(chǔ)存和搬運(yùn)。沒有可再生能源，二氧化碳轉(zhuǎn)化就無從談起。

二氧化碳的轉(zhuǎn)化方法包括熱催化過程、光化學(xué)過程、電化學(xué)過程。其中，熱催化制甲醇已有百年歷史，從分子式（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O）看，6千克氫（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/噸），成本108元，產(chǎn)出80元；熱催化制烯烴，從分子式（2CO₂+6H₂→CH₂CH₂+4H₂O）看，12千克氫可制得28千克乙烯（7500元/噸），成本216元，產(chǎn)出205元。簡單分析，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性是很難的。因此，二氧化碳的交易價(jià)格、氫的價(jià)格、煤的價(jià)格，決定了二氧化碳熱催化轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，這是很大的挑戰(zhàn)。

光化學(xué)過程可以建設(shè)太陽燃料工廠，將太陽能高效低成本轉(zhuǎn)化為氫能、燃料、化學(xué)品等。目前，光催化水制氫，仍受制于低能量轉(zhuǎn)化效率瓶頸，需要提升材料的光生電荷分離效率；光催化二氧化碳制燃料或化學(xué)品，轉(zhuǎn)化效率非常低，遠(yuǎn)不及熱催化和電催化，未來需要在光反應(yīng)和催化劑上下功夫。中國科學(xué)院成功將二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化碳高效還原，在生物反應(yīng)裝置中合成淀粉。如果這一途徑可以達(dá)到理論能量轉(zhuǎn)換效率的80%，從電到淀粉合成的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)41.6%，那么合成1千克淀粉需要大約10千瓦時(shí)電，通過途徑改造，能效提高空間很大。

這三個(gè)方法中，目前看來最可行的是將二氧化碳電解轉(zhuǎn)化，最近也有一些好的進(jìn)展。二氧化碳通過電還原的方法，不僅可以還原為一氧化碳，還可以生產(chǎn)甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電47千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳電化學(xué)直接制化學(xué)品，每生產(chǎn)1千克乙烯，消耗電86.2千瓦時(shí)，副產(chǎn)氫氣0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果電價(jià)合適，電化學(xué)方法的經(jīng)濟(jì)性是可以比肩熱催化的。但一個(gè)很大的問題是，相比石油化工放大是靠催化劑的加量（從1克到1千克到1噸），電化學(xué)的放大完全靠面積的放大，難度很大，因此，電催化轉(zhuǎn)化未來努力的方向是穩(wěn)定性和可放大性。