综述：重新构想二氧化碳管理：CCUS与ICCU技术的SWOT分析及全球展望

本综述系统探讨了碳捕获、利用与封存（CCUS）及集成碳捕获与利用（ICCU）技术的最新进展，从吸附与吸收机制的热力学基础到全球项目部署现状进行全面剖析。文章重点分析了二氧化碳（CO2）的物理化学特性（如线性几何构型、C=O键能799 kJ/mol）带来的捕获挑战，并深入评估了胺类溶剂、离子液体（ILs）、金属有机框架（MOFs）等材料的性能。通过SWOT分析框架，揭示了CCUS在工业脱碳（如水泥、钢铁行业）中的优势与能源密集型再生的瓶颈，同时指出ICCU将捕获与转化（如甲醇、甲烷、甲酸生产）耦合的策略可显著降低能耗并提升经济可行性，为气候减缓提供了关键技术路径。

　　

二氧化碳管理技术背景与挑战

工业化与化石燃料依赖导致大气二氧化碳（CO₂）浓度持续上升，使其成为全球气候减缓行动的核心目标。尽管CO₂具有热力学稳定性和线性几何结构导致其活化困难，但自20世纪中期以来，它已被确认为主要温室气体。CO₂的捕获与转化技术因其在减少排放和生产增值化学品方面的潜力而受到广泛关注。

二氧化碳排放分类与减缓策略

CO₂排放源可分为可捕获（如发电厂、工业设施的点源）和不可捕获（如交通、农业的分散源）两类。可捕获排放适合通过传统捕获技术处理，而不可捕获排放则依赖直接空气捕获（DAC）技术。减缓策略包括碳捕获与封存（CCS）、生物能源与CCS结合（BECCS）、矿物碳化以及碳捕获与利用（CCU），形成针对不同排放类型的综合框架。

捕获技术概述：吸附与吸收机制

二氧化碳捕获是CCUS策略的基础步骤，主要技术包括燃烧前捕获、燃烧后捕获、富氧燃烧和直接空气捕获。吸附技术利用固体吸附剂（如活性炭、沸石、MOFs）通过物理或化学作用捕获CO₂，其性能受孔隙结构和表面化学性质影响。吸收技术则依赖液体溶剂（如胺类、氨水、离子液体）与CO₂发生化学反应，形成碳酸盐或碳酸氢盐。胺类溶剂如单乙醇胺（MEA）具有高捕获效率，但再生能耗高且易降解。离子液体和氨基酸溶剂因低挥发性和可设计性成为新兴选择。

集成捕获与转化：技术原理与优势

集成碳捕获与利用（ICCU）将CO₂捕获与后续转化过程结合，避免了中间步骤的能源损失。例如，捕获的CO₂可直接氢化为甲醇、甲烷或甲酸，利用双功能材料（DFMs）实现一步转化。ICCU的优势包括降低再生能耗、提高整体效率以及生产有价值化学品，推动碳循环经济。

甲醇生产通过ICCU

甲醇作为重要化学品和燃料，可通过捕获的CO₂氢化生产。研究显示，使用胺类溶剂（如DEEA、PEHA）或碱性溶液（如KOH）捕获CO₂后，在钌（Ru）或铜锌催化剂作用下可高效转化为甲醇。反应条件通常为140-200°C和5-10 MPa氢气压力，甲醇产率可达90%以上。该系统不仅减少能源需求，还可利用可再生氢源，提升可持续性。

甲酸生产通过ICCU

甲酸是氢储存载体和化工原料，可通过CO₂氢化生产。使用胺类或碱性溶剂捕获CO₂后，在钯（Pd）或钌催化剂作用下转化为甲酸盐或甲酸。例如，铵碳酸氢盐氢化在室温下可实现95%以上甲酸产率。ICCU系统通过形成中间体（如氨基甲酸盐）降低反应能垒，使转化在温和条件下进行。

甲烷生产通过ICCU

甲烷（天然气主要成分）可通过Sabatier反应（CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O）生产。使用双功能材料（如Ru/Al₂O₃或Ni基催化剂）可在200-300°C和中等压力下实现高效甲烷化。ICCU策略利用捕获的CO₂直接转化，避免纯化步骤，提高经济性。研究表明，湿度存在可增强捕获容量和甲烷产率。

SWOT分析与未来展望

CCUS和ICCU技术的优势包括高捕获效率、技术成熟度和工业适用性，但弱点涉及高能耗、材料降解和成本挑战。机会在于新材料开发（如纳米吸附剂、功能化ILs）、政策支持（如碳定价）和可再生能源整合。威胁包括技术竞争（如电解水制氢）和规模化障碍。未来需通过AI优化材料设计、推进试点项目以及制定国际标准，以实现碳中和社会目标。

结论

CCUS和ICCU技术是迈向低碳经济的关键路径，通过整合捕获与转化过程，不仅降低碳排放，还生产有价值化学品，提升经济可行性。持续创新、政策支持和跨领域合作将推动这些技术的广泛应用，为全球气候目标贡献力量。