面向循环碳经济的太阳能空气制燃料技术

《Journal of the American Chemical Society》：Solar Air-to-Fuel Technologies for a Circular Carbon Economy

　　

大气中的CO₂是一种普遍可得且丰富的碳原料，但其浓度稀薄（目前约为427 ppm）。能够利用直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）捕获大气CO₂并直接使用太阳能将其转化为合成燃料和化学品的清洁技术，有望为循环化学工业铺平道路。开发这种模拟光合作用的太阳能空气制燃料技术面临诸多挑战，包括空气中低浓度CO₂的利用、CO₂（及其捕集产物）的热力学稳定性、空气中高含量O₂（21%）（其常干扰催化CO₂增值转化）以及变化的水分水平。本视角探讨了太阳能驱动大气CO₂转化为燃料和化学品的不同概念与新兴技术，考察其科学原理，评估其可扩展性，并为未来研究提供建议，以支持净零排放循环碳经济的发展。

## 一、研究背景与问题提出

地球自然碳循环在维持生命方面发挥着关键作用。工业革命前，大气二氧化碳（CO₂）水平在数千年间基本保持稳定（低于300 ppm），森林、土壤和海洋固定的CO₂与自然过程释放的量大致相等。工业化以来，大量额外CO₂被排放至大气中，导致碳循环失衡，引发全球变暖、气候变化、生态破坏和海洋酸化等问题。为应对这一挑战，全球正致力于减少净CO₂排放。值得注意的是，碳是构成生命的基础元素，经济运转和日常材料 largely 依赖碳。因此，开发从空气中捕获并转化CO₂用于燃料和化学品合成的方法，建立人为碳循环，具有重要意义。其中，空气制燃料途径不仅能回收或降低大气CO₂，还能减少我们对化石碳的依赖。当回收燃料被使用时，CO₂重新释放到大气中，形成净零碳循环；而将CO₂固定为聚合物等长期化学品则可实现碳负循环，但受限于社会需求。直接空气碳捕集与封存（Direct Air Carbon Capture and Storage, DACCS）虽可将CO₂封存于地质结构中，但大规模高压CO₂地下封存的安全性、审慎性和经济可行性仍存在争议。

在直接利用空气CO₂的多种方式中，直接太阳能驱动路线因其丰富且低成本的太阳能而最具长期前景。与自然光合作用类似，太阳能空气制燃料技术旨在利用阳光作为能源，直接从大气CO₂生产富能碳基燃料。该方法的优势在于：(i) 直接利用大气CO₂而非依赖局部浓缩流；(ii) 以清洁、零排放且丰富的阳光作为能源；(iii) 通过合成目标燃料和化学品创造价值，而非仅将CO₂封存地下。然而，效率与可扩展性要求使太阳能空气制燃料转化面临重大挑战。尽管自然界通过光合作用已进行数百万年，人工系统近年才开始探索，尚处于早期形成阶段。

## 二、核心挑战

### 2.1 超稀薄CO₂浓度

大气CO₂浓度约为427 ppm，将其浓缩至1 bar纯CO₂需约19.2 kJ mol_CO2^?1（0.44 GJ ton_CO2^?1）。考虑动力学、热损失、效率损失及进气能耗，现有DAC系统实际能耗为5–9 GJ ton_CO2^?1。多数DAC技术通过化学CO₂捕集实现，CO₂先被化学吸收或吸附，再通过温度或压力变化提取为浓缩流。低CO₂浓度要求捕集剂具有高CO₂固定速率（低活化能），这常伴随更大的热力学稳定性，使后续释能多。典型DAC材料使用乙醇胺、特种胺或氢氧化物基试剂。除热工艺外，替代能源驱动的创新DAC方法也在探索中，包括混合电化学DAC系统、电化学介导胺再生技术、湿度摇摆DAC吸附剂、电化学或光化学触发pH摇摆以及膜分离技术等。

### 2.2 高氧含量与水分干扰

大气中O₂浓度为21%，约为CO₂的500倍。O₂是活性双自由基，易干扰CO₂转化过程，其还原反应电位较CO₂还原更为有利。自然界通过核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）解决此问题，该酶对CO₂的还原活性比O₂高约10³倍。C3植物中RuBisCO平均每还原3分子CO₂会还原1分子O₂（光呼吸），降低约25%的光合效率。自然还通过C4植物的CO₂浓缩机制、CAM（景天酸代谢）植物的 temporal 分离策略，以及蓝细菌的微区室（羧酶体）局部CO₂释放机制来增强CO₂还原选择性。

水分存在亦带来复杂性。物理吸附DAC材料（沸石、金属有机框架）因竞争结合而受湿度显著影响；化学吸附材料（尤其胺基）在 humid 条件下CO₂捕集率和容量提高，但水共吸附增加脱附能耗，降低CO₂纯度和回收率。

## 三、主要技术路线与研究进展

### 3.1 太阳能热化学路径

**3.1.1 热化学循环**

CO₂可通过热化学循环在高温下分解为CO和O₂，使用氧载体材料如氧化铈（CeO₂）。CeO₂在高于1000 °C时释放O₂形成氧空位CeO_2?δ（δ达0.04），还原后的CeO₂在较低温度（<1000 °C）暴露于CO₂或H₂O时，从这些原料中提取氧填充空位，同时产生CO和H₂。过程可由聚光太阳能直接加热（直接热化学分解）或通过传热液体间接驱动。

Steinfeld 等研究者将热化学循环与直接空气CO₂捕集整合，从阳光和空气生产即型燃料。该技术分三步：首先使用固态胺基吸附剂从空气中捕集CO₂和水分（捕集剂在80–100 °C或减压下释放CO₂）；释放的空气捕获CO₂在温和加热（100 °C，来自太阳能精炼厂废热）和减压（<0.1 bar）条件下，被输送至太阳能精炼厂转化为合成气（syngas，CO和H₂混合物）。太阳能精炼厂采用多孔CeO₂块，通过抛物面碟式集热器用高度集中的太阳光（强度达3000–5000 kW m^?2，相当于3000–5000倍太阳光）加热至1500 °C。此还原步骤在减压（0.1 mbar）下进行以最大化氧空位。随后在氧化步骤中，空气捕获的CO₂和H₂O在约900 °C、环境压力下引入，完成热化学循环，恢复CeO₂氧原子同时产生合成气。CeO₂块孔隙率经优化以平衡太阳能吸收与反应速率。该过程每千克CeO₂每循环可产生约4 L合成气，已展示数百次循环，太阳能到合成气效率约为3–5%。合成气可进一步在下游气制液（Gas-to-Liquid, GTL）单元中转化为液体燃料，如使用Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂制甲醇（船用燃料）或通过费托合成制煤油（航空燃料），GTL转化利用太阳能精炼厂废热在200–300 °C进行，使整个 process 全太阳能驱动。该空气制燃料系统的总体效率估计约为1%。该系统已在西班牙IMDEA Energy放大至50 kW（约 energy scale without DAC），但长期运行中的材料稳定性仍是挑战。其他挑战包括高资本支出（定日镜场）、大量多孔CeO₂（关键矿物）和石英需求、高辐射热损失、非化学计量氧传递及高温材料烧结等。

**3.1.2 双功能材料太阳能热催化**

Liu 等研究者报道了使用双功能催化吸附剂在集中阳光下进行DAC及后续合成气转化。吸附剂由商用沸石NaA（辅助CO₂捕集）和浸渍镍（促进CO₂转化）组成。含CO₂气体（包括模拟空气）首先在环境温度下通过吸附剂预载CO₂（达约1 mmol g^?1）；随后在CH₄流下暴露于集中太阳光（约410倍太阳光强度，410.2 kW m^?2），吸附的CO₂释放并通过干甲烷重整转化，反应温度在集中光照下达700 °C，CO₂转化率高达95%。然而，同一材料兼作捕集吸附剂和转化催化剂限制了单循环反应规模，连续切换捕集与转化以实现连续操作也面临挑战。

### 3.2 光伏驱动电化学路径

CO₂也可通过电化学方式回收为燃料和化学品，可借助或不借助高温。高温固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs）已被深入研究用于CO₂制燃料，其与DAC系统的整合也已被设想，可通过光伏板和聚光太阳能热发电产生所需电力和热量实现太阳能驱动。近环境温度电解槽还原纯CO₂近年进展迅速，电流密度达A cm^?2级别，但直接电化学转化空气CO₂仍具挑战性。

**3.2.1 直接空气CO₂电还原**

研究人员最近报道了一种受自然启发的CO₂捕集和电还原方法，利用类似蓝细菌羧酶体的局部碳浓缩机制。研究人员将碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）和CO₂还原酶甲酸脱氢酶（Formate Dehydrogenase, FDH）固定在介孔氧化铟锡（Indium–Tin Oxide, ITO）电极孔隙中，使两者相邻。在pH 7–8电解过程中，CA促进溶解碳酸氢盐释放气态CO₂，FDH以此为底物生产甲酸盐。该策略对低大气CO₂浓度特别有前景，因酶在低底物条件下呈线性米氏动力学，使FDH甲酸盐产率提高4–8倍。在?0.6 V vs标准氢电极（Standard Hydrogen Electrode, SHE）下，甲酸盐法拉第效率>90%，但电流密度较低（~60 μA cm^?2）。该系统因有氧条件下的氧还原反应而对氧气敏感，这是直接需氧CO₂还原的主要挑战。

**3.2.2 化学捕集需氧CO₂的电还原**

Sargent 团队报道了可直接将碳酸盐电解液还原为合成气的电解槽系统，使用银基催化剂。该双极膜电解槽中，膜产生的局部质子在电解过程中迁移至阴极，导致碳酸盐局部释放CO₂并随后还原。由此策略，直接碳酸盐电解产生3:1 H₂/CO比的合成气，无任何气态CO₂污染，电流密度达150 mA cm^?2（能量效率~30%），但所需槽电位较高（3.8 V）。用阳离子交换膜（Cation Exchange Membrane, CEM）替代双极膜并使用复合CO₂扩散层（CO₂ Diffusion Layer, CDL）促进CO₂从膜向阴极传输，槽电压可略降至约3.3 V（100 mA cm^?2）。

Breugelmans 等报道了双极膜零间隙流式电解槽，用于直接空气捕集的（生物）碳酸盐溶液电还原为甲酸盐或CO，使用SnO₂/C或Ag/C电极，电流密度约50 mA cm^?2，槽电压约3.5 V，甲酸盐或CO法拉第效率约15%。除单碳产物外，使用铜银电极的双极膜碳酸盐电解系统还可生产多碳产物如乙烯，其中银促进CO₂到CO转化，铜诱导CO型中间体形成多碳产物。在3.8 V槽电压下，碳酸盐到乙烯法拉第效率为10%，碳酸盐到乙烯转化效率为0.002–0.003%。此外，铜和钴酞菁（CoPc）复合催化剂（Cu/CoPc-CNT，CNT为碳纳米管）也用于碳酸盐溶液高效C2产物形成，主要产物为乙烯和乙醇。

研究人员还开发了替代氨基酸基电解质用于空气CO₂捕集和直接电化学还原，使用赖氨酸、精氨酸或去质子化氨基酸（如甘氨酸钾）捕获需氧CO₂，随后用基于ZIF-8的镍单原子催化剂电化学还原捕获的CO₂。该电解槽使用简单阳离子交换膜，在约3 V槽电压下从捕获的CO₂生产CO，法拉第效率>50%，比碱金属氢氧化物系统能耗降低约30%。

碳转化效率（起始CO₂/（生物）碳酸盐分子转化为还原产物的比例）是重要但常被忽略的参数。少数研究表明仅痕量捕获碳被转化为燃料。碳酸盐还原难度随碳转化效率增加而增加，因剩余碳酸盐耗竭电解液中气体CO₂的原位释放变得困难。类似问题在光催化CO₂还原中也存在。

**3.2.3 已展示光伏整合的电化学系统**

上述电解槽原则上可与光伏驱动的可再生电力整合，但尚未具体展示。这些过程所需槽电压（3–4 V）过高，单光吸收器难以用入射阳光高效产生，需多结或多个太阳能电池串联。若与最先进的商用硅太阳能电池（开路电压0.6–0.7 V）整合，需4–5个电池串联驱动电解槽，这可能面积密集且效率低下。

通过的缘故电压可通过将水氧化（E⁰ = ?1.23 V）更换为废弃物衍生的醇氧化来降低。这些废弃物氧化反应（如生物柴油副产甘油、PET塑料废弃物来源的乙二醇、生物质葡萄糖等）的标准氧化电位接近零（E⁰ ~ 0 V）。

研究人员利用此策略，以PET废弃物氧化得到的乙二醇为对反应，展示了即使使用单结钙钛矿基光吸收器（开路电压1.1 V），也能捕获并转化需氧CO₂为合成气。空气CO₂用溶解于乙二醇中的KOH溶液捕获，直接用作下一步的电解液。使用埋入式结光阴极（整合钙钛矿太阳能电池与沉积在多壁碳纳米管上的钴酢菁CO₂还原催化剂），浸入空气捕获CO₂溶液电解液中并在阳光照射下无外部偏压产生合成气，持续超过100 h，电流密度约0.1 mA cm^?2，但H₂/CO比较高（20–25）；同时阳极选择性氧化乙二醇为羟基乙酸。对于其他稀释CO₂源（如模拟~15% CO₂浓度的燃烧后烟气），观察到更高的CO法拉第效率（~20%）和更高电流密度（~1–2 mA cm^?2）。该过程的碳转化效率低于1%。

### 3.3 直接光化学路径

直接光化学过程中，阳光被光吸收剂（分子或材料基）捕获产生电子-空穴对，电子转移至CO₂（常由辅助催化劳逸结合剂促进）产生CO₂还原产物，空穴转移至还原剂完成氧化还原过程。适当的能带排列和界面工程对于定向电子和空穴传输、减少复合损失至关重要。

**3.3.1 厌氧条件下稀薄CO₂的光还原**

Ishitani 等设计了通过加合和配位层工程实现分子复合物，用于稀释流（包括0.04% CO₂）中的CO₂光转化。这些系统中，光吸收分子（如三联吡啶钌 Ru(bpy)₃）与CO₂转化催化剂（如联吡啶铼三羰基）结合，反应在含CO₂清除剂（如三乙醇胺）的溶液中进行。三乙醇胺起双重作用：通过Re–O(碳酸盐)键形成将CO<sub>2带至催化中心，确保稀释浓度下的局部CO2可用性；同时作为牺牲电子供体猝灭光吸收器产生的空穴。应用此化学原理，已展示CO2浓度低至5000 ppm（氩气稀释）的还原，相当于纯CO2条件下催化活性的60%，分子转换数达150（5 h，480 nm单色光）。

光吸收可扩展至更宽可见光区域，通过将分子结构附加到高效共轭聚合物太阳能吸收剂如P10（二苯并[b,d]噻吩砜的10单元均聚物）。Sprick 等最近展示了类似设计的系统在低CO2浓度（三乙醇胺为牺牲电子供体）下近乎定量的CO2转化为甲酸盐，转换数约50万（460 nm光）。值得注意的是，分子系统常需牺牲电子供体，不利于大规模实施；且因明确的HOMO–LUMO能隙，除聚合物系统外常显示窄吸收带，限制全光谱利用效率。上述分子系统仅在厌氧条件下有效，因其对氧气敏感。

**3.3.2 直接从空气的CO2光还原**

Wang 团队采用由中空TiO2核与表面涂层超交联卟啉基聚合物配位活性Pd(II)位点组成的复合光催化剂，实现了需氧条件下CO2的直接光转化为CH4。TiO2在光照下产生电子-空穴对并催化表面水氧化；表面沉积的卟啉基聚合物通过从空气中捕获CO2确保Pd(II)中心附近高CO2可用性。该策略下，UV-vis照射2 h后CO2到CH4转化产率为12%。

Zhang、Zhao、Sun 等报道了一系列化学式为M0.33WO3（M为K、Rb、Cs等碱金属）的六方钨青铜材料，暴露活性{010}晶面，在UV-vis-NIR光照下直接需氧CO2还原。其中Rb0.33WO3在全光谱辐射（350–2500 nm）或选择性近红外（NIR）照射（λ > 800 nm）下活性最高，4反应小时后甲醇选择性98%，CO2转化率约4%。Cs0.33WO3中掺杂钼（3–5%）可在厌氧条件下进一步提高催化活性数倍。富铋空位的玫瑰花状组装氯氧化铋（BiOCl）纳米片也具有从空气捕集和光转化CO2的活性。

需指出，光催化系统中动力学活性仍较低，因高电荷复合率导致分析产物量常较小且误差大。CO2光还原中，CO和CH4等产品也可能来自杂质光降解，需额外验证方法（包括稳健对照和同位素标记实验）识别CO2衍生产品并计算真实催化速率，这对需氧CO2直接光催化尤为重要。

**3.3.3 直接空气捕集后的CO2光还原**

除直接从空气光化学转化CO2外，CO2可先预捕集于溶液中再进行光还原。Han、Liu 等展示了用 task-specific 离子液体（四丁基膦阳离子和吡啶2-氧化物阴离子[P4444][P-2-O]）从空气中预捕集CO2，该离子液体同时捕获大气水分形成碳酸氢盐。捕获的CO2（以碳酸氢盐形式）在下一步用芘基共轭聚合物光催化直接还原，CO产率47.37 μmol g^?1 h^?1，可见光照射下CO选择性约98%（三乙醇胺为牺牲电子供体）。

研究人员设计了分步双床直接空气制燃料反应器，以顺序方式捕获、浓缩和转化空气CO2为CO。光反应器为透明玻璃管反应器，有两个独立固定反应床（一个DAC，一个CO2光利用）安装在抛物槽反射器上（3–5 kW m^?2；3–5倍太阳光）。上游DAC床含固态硅胶-胺吸附剂，夜间"暗"操作从空气中捕获CO2；白天太阳光集中照射管子，加热捕获床超过100 °C（使用光热覆盖层实现高效太阳能加热），促进空气捕获CO2以浓缩流释放至下游转化室。根据流速，可实现超过空气千倍的CO2浓度（从0.04%到>40% v/v）。下游床含分子工程化二氧化钛纳米颗粒，锚定膦酸化双(三联吡啶)钴CO2还原催化剂，负载于氧化铝或二氧化硅纳米粉上，利用集中阳光将入射CO2转化为合成气。PET废弃物衍生的乙二醇预先供给转化床作为电子源（还原剂），降低整体能耗，避免爆炸性氧-燃料混合形成，并在过程中转化为增值产品。该技术目前太阳能到化学品效率较低，但未来在增强催化活 性、稳定性和太阳能吸收方面有改进预期。

### 3.4 无机-生物杂化路径

生物有机体发展出复杂机制应对低环境CO2浓度的挑战。Cupriavidus necator（前称Ralstonia eutropha）是一种土壤细菌，可在异养和自养模式间切换，利用H2（通过氢化酶）作为能源将环境CO2固定为生物质。营养缺乏条件下，生物质形成路径转为碳储存机制，合成高浓度聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）；该途径可被基因工程改造生产目标富能碳产品包括高级醇（C3–C5）。

**3.4.1 生物电化学（未整合太阳能）**

Nocera、Silver 等展示了将基因工程改造的C. necator利用H2将大气CO2固定为高级醇的能力，与Nocera先前开发的人工树叶技术（用于太阳能H2生产）相结合，形成"仿生树叶"（Bionic Leaf）技术，实现太阳能驱动的需氧CO2转化为液体燃料。初期研究聚焦电化学方面，开发在利于细菌生长条件下（中等pH 6–8、低槽电位2–3 V）高效运行的电解系统。自修复钴磷酸盐（CoPi）阳极催化剂用于近中性pH氧析出反应，NiMoZn合金为阴极催化剂。电解液为CO2饱和磷酸盐缓冲液（pH 6.5–7.5；最小培养基）加C. necator培养物。槽电位约2.7–3.0 V时野生型C. necator快速生物量生长；<2.7 V时因H2O2和活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）形成导致细菌生长和活性丧失。3.0 V时基因工程C. necator株实现选择性异丙醇合成，5天后浓度达216 mg L^?1，碳选择性90%（电流密度约5 mA cm^?2，槽电压3.0 V）。

后续使用钴磷（Co–P）阴极催化剂将所需槽电位降至2.2 V，减少低电位下H2O2和ROS形成。Co–P阴极与CoPi阳极协同作用最小化电解液中浸出钴，提高细胞活力。此方法下，野生型C. necator在2.0 V槽电位和~5 mA cm^?2电流密度下，实现了空气（含400 ppm CO2）中CO2到生物质的有效生物固定，电到生物质效率约20%。基因工程菌株可改变产物选择性生产C3或C4+C5醇，从纯CO2的能量效率为25–40%。

**3.4.2 已展示光伏整合的生物电化学**

低所需槽电位（≤2 V）使生物杂化电解槽可与太阳能光伏电池高效整合。所需槽电压来自三结太阳能电池（Ge/GeAs/GeInP2，带隙分别为0.6、1.42和1.9 eV），开路电压2.4 V，峰值功率在2.0 V附近（电流密度~10 mA cm^?2）。附加的杂化电解槽含Co–P和CoPi催化剂分别作为阴极和阳极，电解液中为野生型C. necator用于利用原位产生H2进行生物CO2固定。无外部电压时，集成光伏驱动生物杂化电解槽在约2.3 V电极电位差和7 mA cm^?2下运行，从纯CO2生产细菌生物质，太阳能到化学能效率约6.1%。效率低于可达峰值（~10%，光伏效率×电解槽效率）因太阳能电池输出与电解槽输入之间的电压失配。

## 四、讨论与结论

多种技术路线正处于不同发展阶段，技术就绪水平（TRL）介于2至5之间。热化学路径最成熟，核心技术正由衍生公司Synhelion试用，年产数千升太阳能航空燃料，但CO2来自浓缩生物排放而非空气以改善经济性。乐观情景下，此技术空气衍生合成航空燃料价格约2–5美元/升，远高于化石基航空燃料（<1美元/升）；空气衍生的甲醇价格近8美元/升。提高效率至10%（当前约1%）可改善经济性，需优化太阳能精炼厂合成气生产过程，尤其减少高温操作（1000–1500 °C）的显著辐射热损失。探索低温热化学循环的替代氧载体材料（如掺杂氧化铈、铁基氧化物）是关键方向，但铁基氧化物高温钝化仍具挑战。

光伏驱动电化学路径在近环境温度运行，无显著辐射热损失和卡诺效率限制。直接从溶液电还原需氧CO2颇具挑战，因低CO2浓度和低水溶性叠加。先捕集CO2于电解液（胺、氢氧化物等）再进行电驱动的路线更易管理。捕获CO2的电化学还原系统可达高电流密度（0.1–0.5 A cm^?2），但低碳转化效率和高过电位（氧析出反应和捕获CO2还原反应均需）待解决。电解液工程可建立捕集与转化平衡；用废弃物衍生底物氧化替代水氧化可降低槽电压要求（至~1 V）。需发展丰产金属基电催化剂替代贵金属（Au、Ag），并探索长期稳定性。避免使用昂贵的双极膜，解决碳酸盐沉淀和CO2跨膜交叉问题，优化光伏模块与电解槽的整合（分体或集成埋入式），是提高太阳能到化学效率的关键。

直接光化学空气制燃料以阳光驱动，可直 接扩展且资本支出低，但活性过低难以商业化。主因是快速电荷载流子复合、光吸收不完全和光催化剂随时间降解。双床分步法通过上游气相过程浓缩CO2并移除O2，为直接光催化提供了解决方案，但太阳能CO2浓缩和转化效率均需提高。突破方向包括开发异质结材料促进电荷分离、可见光响应光催化剂拓展光谱利用、提高稳定性和电子转移效率，目标达5%太阳能到化学效率。

仿生树叶技术利用自然系统完成最具挑战性的需氧CO2固定，同时通过太阳能H2生产提供能量。基因工程细菌可产生多种燃料和化学品，获取纯合成装置难以直接获得的产品。但活体 培养物要求控制污染物和介质温度以防细胞死亡，需优化反应速率实现最短时间最大CO2转化，并调整光伏输出与生物杂化电解槽输入的电压电流匹配。

尽管取得诸多进展，太阳能空气制燃料技术仍需实质性进一步发展。热化学路线虽最成熟但资本密集且高温 challenging 材料和系统稳定性；电化学系统前景可 观但需提高碳转化效率、防止交叉和沉淀、增强稳定性並优化能耗；光催化系统TRL较低（2–3），需基础研究突破；生物杂化路径需进一步研究系统稳定性、长期能效和技术经济因素。全球每日消费约150亿升原油，以空气可持续合成燃料替代此巨大体量是重大挑战。电气化和氢经济可在部分行业脱碳，但合成燃料仍为航空、重型运输和化工行业生产塑料及大宗/精细化学品的低碳或净零排放所需。科学界兴趣日益浓厚，新伙伴关系、联盟和研究中心快速涌现，但工业和政治领域重大障碍待克服。政府政策支持绿色合成燃料使用（即使作为当前燃料的小比例掺混），对早期采用和让这些新兴技术进入学习曲线是必要的。利用大气CO2储存太阳能为燃料将有效调控大气CO2水平，满足文明能源需求，实现循环碳经济。能否实现及所需时间将对社会未来产生决定性影响。

## 五、关键方法技术概括

本综述涉及的主要关键技术方法包括：（1）热化学循环中的氧载体材料设计与太阳能聚光加热技术；（2）直接空气捕集技术，包括固态胺吸附、电化学pH/湿度摇摆、膜分离及双功能材料；（3）电化学CO2还原技术，涵盖直接空气CO2电还原、碳酸盐/碳酸氢盐/氨基甲酸酯电解、生物酶催化及埋入式结光 电化学系统；（4）直接光催化技术，包括分子光敏剂-催化剂体系、半导体异质结材料、局部CO2富集策略及分步双床反应器设计；（5）无机-生物杂化体系，涉及基因工程细菌（Cupriavidus necator）、人工树叶水电解与生物CO2固定的整合，以及三结太阳能电池驱动的生物电化学系统。</sub>