综述：通过逆水煤气变换反应实现CO?的可持续热催化转化，以生产燃料和化学品，从而实现碳中和

《Journal of the Energy Institute》：Sustainable Thermocatalytic Conversion of CO 2 to Fuels and Chemicals via Reverse Water-Gas Shift Reactions for Carbon Neutrality

本文系统综述了逆水煤气变换（RWGS）反应在二氧化碳转化为一氧化碳中的应用进展，重点分析了催化剂设计、反应器优化及 techno-economic 评估。研究指出，开发高效低温催化剂和优化反应参数可提升CO选择性及能量效率，同时探讨 RWGS 与甲烷合成耦合工艺的协同效应。最后通过技术经济评价论证了 RWGS 技术的可行性和工业潜力，提出未来需加强多学科交叉研究。

　　

Ijaz Hussain|Gazali Tanimu|Niladri Maity|Khalid Alhooshani|Saheed Ganiyu|Abdullah Aitani|Mohammad Alalouni|Mohammad Aljishi|Emad N. Al-Shafei

沙特阿拉伯达兰国王法赫德石油与矿业大学精细与先进化学跨学科研究中心，邮编31261

摘要

应对气候变化和降低大气中二氧化碳（CO₂）水平的紧迫需求推动了二氧化碳转化技术的大量研究。其中，逆水煤气变换（RWGS）反应为将CO₂转化为CO提供了有前景的途径，随后CO可以用于合成气转化过程，以生产有价值的化学品和燃料。然而，RWGS反应面临其中等吸热性质以及在低温下与高度放热的CO₂甲烷化反应竞争的挑战。提高低温下的反应效率和CO选择性仍是催化剂开发的关键焦点。本文综述了多种催化剂材料的新进展，并对RWGS反应的热催化途径提供了实际见解。探讨了提高CO₂转化效率、CO选择性和能源利用的新策略。此外，还分析了反应器设计、操作参数及其与其他过程的整合，以提升整体工艺性能。本文还进行了技术经济评估，强调了这些进展的可行性和潜在影响，并对未来研究方向提出了建议。这项工作强调了跨学科合作的重要性，以克服现有挑战，充分发挥RWGS技术在可持续利用CO₂方面的潜力。

引言

由于工业化的快速发展，能源消耗的需求不断增长[1]。预计到2050年和2100年，全球能源消耗量将从目前的约15太瓦（TW）分别增加到23太瓦和45太瓦[2]。这些巨大的能源使用变化提醒我们寻找可持续和创新的能源解决方案的必要性和紧迫性，这激励了高影响力的研究贡献，超越了单纯的科学和技术理想。太阳能是一种丰富、可持续且清洁的能源，每年为地球提供超过120,000太瓦的能量[3]。然而，近几十年来主要的能源来源一直是化石燃料[4]。燃烧化石燃料会向大气中释放大量温室气体，如CO₂和CH₄，这是全球变暖的主要因素之一[5, 6]。自2015年以来，大气中的CO₂浓度已超过401百万分之一[7]。海平面上升、极地冰层融化以及全球降水模式的不可预测性只是全球温度缓慢上升带来的一些问题[8]。世界特别关注由CO₂排放引起的气候变化问题。自21世纪初以来，该领域发表的大多数研究都集中在CO₂排放[9]、其影响[10]以及缓解措施[11, 12]上。通过创造和评估能够有效吸收CO₂的新材料，科学家们在解决气候变化问题上取得了显著进展[13, 14, 15]。尽管碳捕获与封存（CCS）技术被广泛认为是减少碳排放到环境中的最有效和直接的方法之一[16]，但地质储层中CO₂储存空间的减少、污染物控制、CO₂输送管道网络的建设以及吸附剂再生所需的能源都是额外的成本[17]。尽管有这些进展，CO₂的潜在泄漏仍然是一个重大挑战，使得碳捕获与封存（CCS）在经济上不可行。为了解决这一限制，碳捕获、利用与封存（CCUS）扩展了CCS的概念，强调通过将CO₂转化为重要产品来重新利用它[18]。在各种CCUS策略的科学理解和技术开发方面都取得了显著进展。关键词分析在文献计量研究中起着关键作用，它突出了研究人员在特定主题内的关注领域。为了研究从CO₂转化相关出版物中提取的关键词之间的共现关系，使用VOSviewer生成了一个可视化网络图，如图1所示。图1中的关键词大小和颜色与其出现的簇相匹配。现象出现频率越高，圆圈越宽；相反，图1中术语之间的距离越近，它们之间的关联越强。

已有大量关于降低CO₂排放的主要方法的研究，包括生物CO₂固定、热化学CO₂转化、光催化和电催化CO₂还原[19, 20, 21, 22, 23]。在这些技术中，通过直接或间接方法的热催化转化CO₂已在工业规模上得到应用，并取得了相对较高的产品产量。图2显示了过去十年关于CO₂转化的出版物数量，其中包括专门针对热催化CO₂转化的研究。大气中CO₂浓度从19世纪的270 ppm增加到2015年的401 ppm，这导致了对这一研究领域的关注度不断提高。

值得注意的是，CO₂热催化可以产生四种主要产物：甲烷（CH₄）、甲醇（MeOH）、一氧化碳（CO）和其他高级烃类[24]。使用来自可再生资源的氢（H₂）作为共进料可以使这些转化变得可行。因此，为了使上述CO₂热催化过程具有有益的环境影响，廉价且低碳的H₂是必不可少的[25]。逆水煤气变换（RWGS）反应对于CO₂的利用非常重要，因为它为化学过程提供了原料[26]。这是一种经过充分研究的工艺，可以在高温（>700 °C）和常压下进行[27]。烯烃和烃类是其他可以通过RWGS产生的工业化学品[28]。此外，当与作为可再生能源的氢结合使用时，它提供了一种更环保的燃料生产方式。使用费托合成（FTS）将CO和H₂混合物（即“合成气”）转化为甲醇和长链烃类的商业方法是成熟的[29]。这使得RWGS成为化学行业利用CO₂作为C1构建块的理想平台。因此，人们正在研究RWGS催化剂，以创建经济上可行的碳循环过程。在过去十年中，许多研究突出了关于RWGS反应的重要发现，包括合适的催化剂制备、其机制洞察以及反应器和反应参数的优化[25, 30, 31, 32]。

尽管取得了巨大进展，RWGS反应仍面临许多障碍，包括平衡变化有限、能量需求高和生产力受限，这限制了其在特定应用中的适用性。此外，针对改进RWGS过程的新开发技术的全面研究和评估还存在明显不足。本文旨在通过关注异质催化剂系统的最新进展和热催化途径的机制知识，以及几种在提高CO₂转化、CO选择性和能源效率方面显示出潜力的新策略来填补这些空白。此外，还讨论了各种反应器配置和操作参数，并重点介绍了将这些技术整合到不同过程中的方法。此外，本文还对RWGS过程进行了技术经济分析，评估了新的CO生产技术，并提出了潜在的应用前景和建议。与以往的研究不同，本研究侧重于提供详细的创新策略和即将到来的技术发展评估，以改进整体RWGS反应。

RWGS的热力学研究

RWGS反应由方程1描述，利用氢气（H₂将CO₂转化为CO和水（H₂O）。这一过程作为生成合成气（H₂和CO的混合物）的有前景的方法而受到关注。在开发可扩展的RWGS过程方面取得了显著进展，增强了其在工业应用中的潜力。

当作为直接热化学转化的中间步骤时

RWGS的催化剂设计与开发

最近的研究集中在开发用于RWGS过程的催化剂上，这些催化剂有潜力将CO₂转化为有价值的燃料和化学品。为了提高RWGS的活性，已经取得了显著进展，某些催化剂实现了高效的转化，这在最近的研究中得到了证明[30, 56]。观察到降低反应温度可以提高RWGS作为CO₂还原方法的工业可持续性

反应器设计

优化反应器设计和操作参数对于确定通过RWGS反应进行CO₂转化的有效性和效率至关重要。可以改进转化率、选择性和能源效率。最近，Xu等人[205]研究了分散在MOF UiO-67支撑剂上的单分散Au纳米颗粒（Au NPs）之间的相互作用。在较高的反应温度下，CO₂转化率逐渐增加，在2.40重量百分比的Au@UIO-67时达到峰值35%。当...

RWGS与甲醇合成结合

鉴于科学界对地球大气中CO₂水平上升所带来的危险的担忧，已经进行了大量工作来寻找降低碳排放的解决方案[221]。CO₂缓解选项包括CO₂的封存和储存以及作为化学原料的利用。回收CO₂捕获和转化的成本使得将其转化为化学原料看起来更具优势[222]。然而，这一过程具有挑战性

技术经济研究

技术经济分析（TEA）是一种系统的方法，用于评估过程、项目或产品系统的技术和财务性能[261]。化学品、来自可再生资源的能源、运输燃料、碳利用技术、海水淡化技术以及沼气等行业都广泛使用了TEA，这是一种重要的评估工具，用于理解成本标准和技术的潜在经济可行性。尽管...

挑战与未来展望

将CO₂氢化过程异质催化合成为CO已取得显著进展，但仍有许多问题需要解决。设计和生产极其有效的催化剂以实现高CO₂转化和CO选择性，同时提高在具有挑战性的反应条件下的长期耐用性和稳定性。RWGS反应之后伴随着甲烷化副反应，这给后续的分离操作带来了负担

结论

尽管具有潜力，但由于RWGS反应的中等吸热性质以及在低温下与放热的CO₂甲烷化反应的竞争，它仍面临挑战。因此，提高催化剂的有效性以增加低温效率和CO选择性仍然是研究的重点领域。在这篇综述中，我们考察了混合催化剂系统的最新进展以及RWGS热催化途径的机制洞察。

CRediT作者贡献声明

Mohammad Alalouni：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、资金筹集。Abdullah Aitani：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、调查、资金筹集、概念化。Emad N Al-Shafei：撰写——初稿撰写、资源管理、项目管理、资金筹集、概念化。Mohammad Aljishi：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、资金筹集。Niladri Maity：撰写——审稿与...

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢KFUPM精细与先进化学跨学科研究中心和Saudi Aramco R&DC提供的支持。