二氧化碳与生物质、有机固体废物和废水的协同利用：机制、技术与前景

《Bioresource Technology》：Synergistic CO 2 co-utilization with biomass, organic solid waste and wastewater: mechanisms, technologies, and prospects

　　

•CO2-废物协同利用将碳减排与循环资源回收联系起来。•废物为CO2资源化提供电子、碳骨架和营养物质。•对热化学、电化学、光化学和生物路线进行比较。•系统总结性能数据和协同机制。

## 引言

人为二氧化碳（CO2）排放量的持续增加，产生了对能够在减排同时生产燃料、化学品和材料的技术的迫切需求。与碳捕集封存策略相比，碳捕集利用提供了一种将CO2转化为增值产品的额外可能性（Hepburn等，2019；Artz等，2017）。然而，CO2是碳的最氧化且热力学最稳定的形式，其转化通常需要大量能量输入、有效催化剂、足够的还原当量以及对产物选择性的精确控制（Kondratenko等，2013）。

传统的CO2利用主要集中于单一转化路线，包括热化学加氢、干重整、电化学CO2还原、光催化CO2还原和生物固碳（Pakhare和Spivey，2014；Saeidi等，2014）。尽管已取得重大进展，但这些路线仍面临固有局限性。热化学系统通常需要苛刻条件，且主要生成CO、H2、合成气或甲醇等简单中间体（Chan等，2021）。电化学系统可在温和条件下运行，但选择性、电流密度、能量效率和产物分离仍是挑战（Burdyny和Smith，2019；Jouny等，2018；Kormányos等，2024；Nitopi等，2019；Xi等，2024）。光化学系统直接利用太阳能，但受限于电荷复合、低量子效率和催化剂不稳定性（Habisreutinger等，2013；Liu等，2023b）。生物系统具有高选择性和温和操作条件，但其转化率、稳健性和可扩展性往往不足（Claassens等，2016；Li和Zhang，2024；Rabaey和Rozendal，2010）。

这些挑战的一个重要原因在于CO2转化本身高度依赖外部电子、质子和还原力（Artz等，2017；Kondratenko等，2013）。此外，由于C-C键形成需要活性中间体和有利的催化或代谢环境，将CO2直接转化为复杂多碳产品仍然困难（Nitopi等，2019）。将CO2转化与废物衍生有机资源耦合，可以通过引入还原态碳化合物来克服这些局限性——这些化合物通过氧化作用提供电子和质子，为产物形成提供预存的碳骨架或活性中间体，并创造支持催化和微生物转化过程的富营养环境（Kong等，2024；Kong等，2021b；Molazadeh等，2019；Razzak等，2017）。生物质、有机固废和废水是丰富、低成本且通常未被充分利用的资源。其还原态碳、氢、营养物质和有机分子可充当电子供体、碳骨架提供者、牺牲氧化底物、阳极反应物或微生物培养基，从而减少对外部还原当量的依赖，促进CO2向更复杂产物的转化（Jourdin等，2020；Liew等，2016）。

在CO2-废物协同利用系统中，废物衍生的底物有助于电子和碳的重新分配。在热化学过程中，生物质或有机固废可与CO2反应产生富CO合成气、生物油组分或其他平台中间体（Chan等，2021）。在电化学系统中，废物衍生的有机物可替代析氧反应作为阳极底物，从而提升全电池的价值和能量效率（Kormányos等，2024；Xi等，2024）。在光化学系统中，有机废物可消耗光生空穴，抑制电荷复合，促进CO2还原（Habisreutinger等，2013；Li和Zhang，2024；Liu等，2023b）。在生物系统中，废水可为微藻或微生物生长提供营养物质和有机碳，而CO2则作为无机碳源（Kong等，2024；Kong等，2021b；Molazadeh等，2019；Razzak等，2017）。这些相互作用表明，CO2-废物协同利用并非两种过程的简单叠加，而是电子转移、碳再分配和代谢调控的耦合网络。

本综述聚焦于CO2与生物质、有机固废和废水的协同利用。与以往集中于单一CO2转化技术的综述不同，本文强调CO2与废物衍生资源之间电子和碳的耦合再分配。讨论首先从电子流、碳流和代谢耦合的角度建立CO2-废物协同利用的机理基础，其中电子流指的是还原当量（如电子、氢或电子载体）在CO2与废物衍生底物之间的转移和再分配；碳流描述来自CO2和废物资源的碳原子向增值产物的转化、迁移和整合；耦合代谢则表示将碳同化与能量及氧化还原平衡联系起来的生化通路的协调调控。综述进一步拓展至催化协同转化与微生物接力升级，其中热化学、电化学和光化学活化产生的中间体桥接了非生物CO2转化与生物合成。在此基础上，总结了性能指标、关键瓶颈和未来机遇，以评估这些系统的可行性和可扩展性。通过聚焦CO2与各类废物流的相互作用，本综述提供了关于废物衍生组分如何促进碳转化的新见解，从而实现对耦合废物资源化的CO2利用的更整合性理解。

## 章节片段

### CO2-废物协同利用的机理基础：电子流、碳流与代谢耦合

CO2转化本身往往受限于CO2的高热力学稳定性、缓慢的活化动力学、低效的C-C偶联以及对电子和还原力的大量需求（Zhang等，2026）。废物衍生的有机资源可帮助克服这些局限性，因为它们通常比CO2更具还原性，因此可充当电子库、氢源、碳骨架供体、牺牲空穴清除剂、阳极氧化底物等。

### CO2与生物质协同利用

将CO2与生物质（包括木质纤维素、农业废弃物、藻类和其他生物来源原料）进行协同加工，是实现生物质升级、可再生碳储存和碳高效生物精炼开发的关键策略。与CO2不同，纤维素、半纤维素和木质素并非完全氧化的碳源；相反，它们已在C-H、C-C和C-O键中储存了化学能（Wakerley等，2017）。因此，与CO2转化耦合时，生物质不仅能提供——

### CO2与有机固废协同利用

有机固废（包括市政和工业固废、食物垃圾、废茶叶包、污泥衍生有机物和其他异质残留物）是广泛可利用的碳资源，可与CO2进行协同增值利用。与相对明确的生物质原料不同，有机固废化学组成多样，通常含有木质纤维素组分、脂质、蛋白质、矿物灰分、含氮组分和难降解聚合物。这种异质性直接影响——

### CO2与废水协同利用

废水处理与CO2固定耦合是CO2协同利用中生物和代谢整合程度最高的路线之一。在此类系统中，废水提供氮、磷、微量元素和可生物降解有机碳，而CO2（通常来自烟气或沼气）则为光合或生物电化学转化提供无机碳源（Kong等，2024）。因此，CO2-废水协同利用不应被视为简单的——

### 催化协同转化与微生物接力升级：中间体形成与生物合成的桥接

在讨论CO2与生物质、有机固废和废水的协同利用之后，有必要将这些路线进一步抽象为一个更通用的催化-生物接力框架。在前述各节中，废物衍生原料主要是根据其来源和转化语境进行考察的。本节则侧重于不同的催化前端如何产生可转移中间体，以及这些中间体如何进一步通过微生物——

### 展望与前景

通过热化学、电化学、光化学和生物途径，CO2-废物协同利用已取得相当进展，展示了将CO2转化与废物资源化整合的潜力。展望未来，以下几个方向值得特别关注，以推动CO2-废物协同利用从概念验证研究向更定量验证、整合化和可扩展的系统迈进。

一项关键优先事项是建立统一的碳、电子和能量——

## 结论

CO2-废物协同利用提供了一种整合废物增值和资源回收的策略，同时有望通过在协调的电子流、碳流和代谢耦合下利用废物衍生的碳、氢、营养物质和还原力来支持CO2活化/转化，从而为碳减排作出贡献。在不同系统中，一个共同原则浮现出来：有效的CO2-废物协同利用并非简单地同时处理CO2和废物，而是——

## CRediT作者贡献声明

Heng Li：撰写–原稿、形式分析、概念化。Yuliang Hao：调查研究、数据管理。Dong Xia：撰写–审阅与编辑、形式分析。Xin He：资源提供、项目管理、方法学。Yuanpeng Wang：撰写–审阅与编辑、方法学、资助获取。

## 利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22038012，U24A20543）、中国福建省科技计划（2025Y4001）和福建省自然科学基金（2025J01405）的支持。

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