《Journal of Cleaner Production》：Techno-economic assessment of electricity-based graphene production from atmospheric carbon dioxide as a potential negative emission option
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为实现《巴黎协定》1.5℃温升目标，化工行业去化石能源化及规模化负碳排放至关重要。传统石墨烯生产全价值链仍存在碳排放问题，而采用大气二氧化碳作为碳源的电基路线，能够推动合成与加工阶段的完全去化石能源化，同时增强负排放能力。本研究针对两种主要的石墨烯生产路线进行
为实现《巴黎协定》1.5℃温升目标，化工行业去化石能源化及规模化负碳排放至关重要。传统石墨烯生产全价值链仍存在碳排放问题，而采用大气二氧化碳作为碳源的电基路线，能够推动合成与加工阶段的完全去化石能源化，同时增强负排放能力。本研究针对两种主要的石墨烯生产路线进行了评估：一是面向高质量层状石墨烯生产的化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）路线，二是面向体相石墨烯生产的电子束等离子体甲烷（Electron Beam Plasma Methane, EBPM）热解路线，旨在实现电基石墨烯（e-graphene）的生产。研究表明，到2050年，通过CVD方法生产的石墨烯成本为89.5 �/kgGraphene，其最低售价可达98.4 �/kgGraphene，从而产生9.7 �/kgGraphene的利润，尽管此时二氧化碳去除成本高达24,402 �/tCO2，吸引力较低。相比之下，EBPM热解路线展现出显著优势，其生产成本仅为1.35 �/kgGraphene，二氧化碳去除成本为369 �/tCO2，最低售价为9.2 �/kgGraphene，可实现8.6 �/kgGraphene的利润。两条路线均有望推动高含碳量石墨烯的商业化，预计到2050年总负排放潜力可达2.57 GtCO2/a。然而，从能耗角度看，CVD路线的能耗高达80.3 kWhel/kgGraphene，而EBPM热解仅需47.9 kWhel/kgGraphene。因此，综合能效与经济可行性评估表明，EBPM热解路线相较于CVD路线更具竞争力。
论文解读：基于大气二氧化碳制取电基石墨烯的技术经济评估
研究背景与意义
为实现《巴黎协定》设定的1.5℃温控目标，全球亟需实施大规模负碳排放措施。在此背景下，化工行业的去化石能源化转型迫在眉睫。石墨烯作为一种具有优异电学、热学和力学性能的二维纳米材料，其传统生产方式往往伴随着较高的碳排放。因此，探索利用可再生电力驱动，以大气二氧化碳（CO2）为碳源生产电基石墨烯（e-graphene）的新型路线，不仅有助于化工行业的深度脱碳，还能将CO2转化为具有高附加值和高碳含量的稳定固体产品，从而实现碳捕集、利用与封存（CCUS）的协同增效。本文发表在《Journal of Cleaner Production》，正是针对这一前沿课题展开了系统的技术经济评估。
关键技术与方法
研究人员构建了从大气CO2到电基石墨烯的完整工艺链模型。该模型的核心技术环节包括：首先通过直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）技术捕获大气中的CO2；随后利用可再生电力进行水电解制氢（H2）；将捕集的CO2与电解水产生的H2通过甲烷化反应合成甲烷（CH4）；最后分别以甲烷为碳源，通过卷对卷（Roll-to-Roll, R2R）化学气相沉积（CVD）和电子束等离子体甲烷（EBPM）热解两种路线制备石墨烯。研究人员重点对这两条路线的能量与质量平衡、平准化生产成本（LCOGR）、平准化碳去除成本（LCOCDR）以及盈利能力进行了动态预测（涵盖2030、2040及2050年），并考虑了资本支出（CAPEX）降低幅度和加权平均资本成本（WACC）变化的敏感性分析。
研究结果
4.1 能量与质量平衡
每去除1吨大气中的CO2，可生产0.273吨电基石墨烯，这意味着每生产1吨石墨烯可永久封存储备约3.67吨CO2。在能耗方面，CVD路线高度依赖高温加热，到2050年其单位产品电耗预计为80.3 kWhel/kgGraphene。而EBPM热解路线由于无需外部加热且裂解过程能耗更低，其2050年的单位产品电耗仅为47.9 kWhel/kgGraphene，能效优势明显。
4.2 电基石墨烯生产与负排放成本
在经济性评估中，CVD路线因涉及昂贵的真空设备、高温炉体及复杂的后处理工序，其成本居高不下。到2050年，CVD石墨烯的总生产成本（含能源）预计为89.5 �/kgGraphene，对应的CO2去除成本高达24,402 �/tCO2，经济性较差。相反，EBPM热解路线得益于规模化效应和较低的资本支出，其2050年的生产成本仅为1.35 �/kgGraphene，CO2去除成本大幅降至369 �/tCO2，表现出极强的市场竞争力。
4.3 石墨烯市场价格敏感性分析
通过敏感性分析发现，随着资本支出（CAPEX）的降低，两种路线的最低售价均呈下降趋势。若CAPEX降低75%，CVD石墨烯的最低售价在2050年可降至86.3 �/kgGraphene；而EBPM石墨烯的最低售价则可低至0.50 �/kgGraphene。这表明EBPM路线在未来极易达到与大宗散装石墨烯相当的价格水平，具备极高的商业推广价值。
讨论与结论
本研究证实，利用可再生电力将大气CO2转化为电基石墨烯，是实现化工行业去化石能源化和获取负碳排放的有效途径。虽然CVD路线能生产出高质量的透明电极级石墨烯，但其高昂的成本限制了其作为大规模负排放方案的潜力。相比之下，EBPM热解路线不仅能高效生产适用于电池等领域的体相石墨烯，还兼具极低的能耗和极具吸引力的经济回报，是未来实现千兆吨级（Gt）负碳排放目标的首选技术方案。
