二氧化碳（CO?）转化为活性一氧化碳（CO）转化技术的概述：反应器工程、反应路径、产物纯化及升级

《International Journal of Hydrogen Energy》：An overview of the conversion technologies of CO 2 into active CO molecule: Reactor engineering, reaction pathways, product purification and upgrading

二氧化碳转为一氧化碳的技术研究综述，重点分析热化学 splitting、电化学还原及光催化等反应机理，探讨反应器设计优化、催化剂性能提升及产物分离纯化策略，评估太阳能热化学与等离子体辅助技术的效率与经济性，提出可持续碳循环解决方案。

　　近年来，全球气候变暖问题日益严峻，二氧化碳（CO?）作为主要的温室气体之一，其浓度持续上升，已经突破420 ppm，全球平均气温比工业化前上升了约1.5°C。根据全球碳项目的数据，2023年全球因化石燃料燃烧和工业过程产生的CO?排放量达到约36.8十亿吨，较2022年增加了0.5十亿吨，尽管国际社会已采取一系列减缓措施，但排放量仍在持续增长。这一趋势不仅加剧了温室效应，还导致了海平面上升、极端天气事件频发等一系列环境问题。为了应对这些挑战，国际社会设定了如《巴黎协定》中提出的将全球气温升幅控制在2°C以内的目标，因此，减少CO?排放并将其转化为有价值的化学品成为当前科研的重要方向。

CO?转化为一氧化碳（CO）的技术近年来取得了显著进展。CO作为高度反应性的分子，在化工、燃料生产及材料制造等多个工业过程中具有广泛应用价值。通过将CO?捕获并转化为CO，不仅有助于降低大气中的CO?浓度，还能提供重要的化学原料，从而推动可持续能源发展和循环经济建设。这一过程被称为碳捕集与利用（CCU），被认为是实现碳中和目标的关键技术之一。CO?的转化涉及多种技术路径，包括热化学裂解、化学循环、等离子体辅助、以及太阳能热化学混合反应器等。这些技术的创新与优化，为实现高效的CO?转化提供了新的思路和方法。

在热化学裂解技术中，金属氧化物因其可逆的氧化还原特性而被广泛应用于CO?的裂解反应。例如，CeO?/Ce?O?等金属氧化物能够在高温下实现CO?的分解，生成CO和氧气。这类反应虽然在理论上具有较高的转化效率，但其实际应用中仍面临诸多挑战。首先，反应需要极高的温度，这导致了能源消耗大，运行成本高。其次，金属氧化物在高温环境下容易发生结构变化或性能退化，影响反应的持续性和稳定性。此外，反应过程中产生的副产物如氧气，也需要进一步处理以避免对后续工艺造成干扰。因此，如何在保证转化效率的同时，降低能耗并提高催化剂的稳定性，成为热化学裂解技术研究的重点方向。

化学循环反应器则通过引入氢气或其他还原剂，实现CO?的高效转化。该技术的核心在于催化剂的选择与优化，常见的催化剂包括金属氧化物、金属硫化物以及复合材料。这些催化剂能够在较低的温度下促进CO?的分解，同时减少反应所需的能量输入。然而，化学循环反应器在实际应用中仍面临催化剂成本高、反应条件苛刻以及副产物分离困难等问题。为了克服这些限制，研究者正在探索新型催化剂的设计，如纳米结构材料和金属有机框架（MOFs），以提高反应效率和经济性。

等离子体辅助技术利用高能等离子体对CO?分子进行激发，从而加速其分解反应。这种方法的优势在于能够在较低的温度下实现CO?的高效转化，同时具有较高的反应速率和选择性。然而，等离子体技术的高能耗问题限制了其大规模应用。此外，等离子体反应器的设计和运行也面临诸多挑战，如如何有效控制等离子体的稳定性、如何提高能量利用率以及如何降低设备成本等。因此，如何在保持高转化效率的同时，降低等离子体技术的能耗和成本，是当前研究的重要方向。

太阳能热化学混合反应器则结合了太阳能与热化学反应的优势，利用太阳能作为主要能量来源，驱动CO?的分解反应。这种技术不仅可以减少对化石燃料的依赖，还能降低整体的碳排放。然而，太阳能热化学反应器在实际应用中仍存在一些问题，如太阳能的间歇性和不稳定性，导致反应条件难以维持；此外，反应器的材料选择和热管理技术也需要进一步优化，以提高系统的可靠性和效率。因此，研究者正在探索如何提高太阳能热化学反应器的能量转化效率，并开发更耐高温和耐腐蚀的材料。

除了反应器的设计与优化，催化剂的性能对CO?转化效率同样至关重要。催化剂的物理化学性质，如颗粒形状、尺寸、比表面积以及孔隙结构，都会影响反应的进行。例如，较小的催化剂颗粒可以提供更大的反应表面积，从而提高反应速率和转化效率。然而，颗粒过小可能导致催化剂的流动性下降，影响反应器的传质效率。此外，催化剂的活性位点分布和表面性质也会对反应的选择性产生重要影响。因此，如何设计具有高活性和高稳定性的催化剂，是CO?转化技术发展的关键。

在CO?转化过程中，产物的分离与纯化同样不可忽视。由于CO?转化后的产物通常包含未反应的CO?、氢气、甲烷以及多种杂质，因此需要高效的分离技术以确保最终产品的纯度和适用性。传统的分离方法如低温精馏、变压吸附（PSA）和膜分离等，虽然在一定程度上能够实现CO的分离，但它们在能耗、成本和操作复杂性方面仍有改进空间。近年来，研究人员正在探索新型的分离技术，如基于吸附剂的高效分离方法和分子筛技术，以提高分离效率并降低能耗。此外，通过优化反应条件和反应器设计，减少副产物的生成，也可以在一定程度上提高产物的纯度。

CO?转化技术的广泛应用还依赖于其在工业生产中的可行性。目前，许多CO?转化技术仍处于实验室研究阶段，其在实际工业条件下的表现往往不如预期。例如，实验室中的高纯度CO?气体和理想反应条件，与实际工业生产中复杂的气体混合物和多变的反应环境存在较大差异。因此，如何在实际工业条件下实现高效的CO?转化，是当前研究的重点。此外，CO?转化技术的经济性也是一个重要考量因素。尽管这些技术在理论上具有较高的转化效率，但其建设和运行成本往往较高，限制了其商业化进程。因此，如何降低技术成本并提高其经济可行性，是推动CO?转化技术广泛应用的关键。

为了实现CO?的高效转化和可持续利用，研究者正在探索多种反应路径和催化剂体系。例如，通过调整反应条件如温度、压力和气体流速，可以优化反应的进行，提高CO的产量和纯度。此外，催化剂的改性研究也在不断推进，如通过掺杂、复合或负载等方式，提高催化剂的活性和稳定性。同时，反应器的设计也在不断改进，以提高传质效率和反应效率。例如，多孔结构的反应器可以促进气体与催化剂的接触，提高反应速率；而模块化设计则有助于系统的扩展和优化。

在实际应用中，CO?转化技术可以用于多种工业过程，如合成气（syngas）生产、甲醇合成和费托合成（Fischer-Tropsch process）等。这些过程不仅能够减少CO?排放，还能生成高附加值的化学品和燃料。例如，合成气可用于生产氢气、甲醇、乙醇等燃料和化学品，而费托合成则可以将CO转化为液态燃料，如柴油和汽油。因此，CO?转化技术在工业领域的应用潜力巨大，但其推广仍需克服一系列技术与经济障碍。

此外，CO?转化技术的发展也与可再生能源的集成密切相关。随着太阳能、风能和生物质能等可再生能源的广泛应用，如何将这些能源有效地用于CO?转化过程，成为研究的一个重要方向。例如，太阳能热化学反应器可以利用太阳能驱动CO?的裂解反应，而风能和生物质能则可以作为化学循环反应器的能源来源。通过将可再生能源与CO?转化技术相结合，不仅可以降低碳排放，还能提高能源利用效率，实现绿色低碳的能源转型。

尽管CO?转化技术在理论和实验室研究中取得了显著进展，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，目前的转化技术在能量效率、催化剂稳定性、反应器设计以及产品分离等方面仍有待改进。此外，技术的经济性和规模化生产也是制约其推广的重要因素。因此，未来的研究应聚焦于提高技术的经济性、优化反应条件、开发新型催化剂以及改进反应器设计，以实现CO?转化技术的商业化和广泛应用。

总之，CO?转化为CO的技术为应对全球气候变化和实现可持续发展提供了重要的解决方案。通过不断优化反应器设计、催化剂性能和反应路径，可以提高CO?转化的效率和经济性，使其在工业生产中发挥更大的作用。同时，结合可再生能源和先进的分离技术，可以进一步推动这一技术的广泛应用，为实现碳中和目标做出积极贡献。