综述：二氧化碳捕获、利用与储存技术进展：聚焦机器学习、循环经济及未来展望

《Catalysis Today》：Advances in CO2Capture, Utilization, and Storage: Focus on Machine Learning, Circular Economy, and Future Perspectives

　　穆罕默德·易卜拉欣|林俊伟|穆罕默德·卡希夫·沙希德
中国科学院过程工程研究所，中国北京100190

摘要
碳捕集、利用与封存技术对于减少发电、制造业和交通运输等关键领域的温室气体排放至关重要，有助于实现《巴黎协定》设定的目标。近年来，该技术在二氧化碳捕集与利用效率方面的进展显著，人们越来越重视工艺集成、能源效率以及可持续应用。本文全面分析了碳捕集、利用与封存技术的最新发展，探讨了各种碳捕集方法，包括燃烧后捕集、燃烧前捕集以及氧燃料燃烧技术。此外，还评估了基于膜技术的碳捕集、固体废物衍生的吸附剂、矿石矿化以及离子液体系统等新兴捕集与分离技术，以判断它们在提升捕集效率、环境可持续性及工业适用性方面的潜力。同时，文章还探讨了人工智能与机器学习在工艺优化、性能预测及提高运营效率中的应用。二氧化碳在生物燃料、药品制造、燃料电池、化学合成、聚合物及烃类生产等领域也具有巨大的应用前景。本文进一步分析了碳捕集、利用与封存技术所面临的关键技术经济与规模化挑战，包括能源需求、成本优化以及长期可持续性问题。此外，还指出了该领域未来的研究方向及综合策略，以推动向低碳未来转型。通过整合最新的捕集技术、智能工艺优化以及可持续的二氧化碳利用途径，本文为全球减碳事业提供了关于先进碳捕集、利用与封存系统在设计、经济可行性及实际规模化方面的最新见解。

引言
人类活动导致的温室气体排放不断增加，进而引发了气候变化，这对我们的经济、社会和环境健康构成了严重威胁[1]。多年来，这一问题已成为全球关注的焦点，因为它会提升地球温度，对地球上的所有生物带来风险。二氧化碳被认为是导致全球变暖的主要温室气体，它能够吸收红外辐射，并通过分子振动产生升温效应。其他温室气体如甲烷和一氧化二氮也会加剧升温效应，但程度相对较小。人类活动已使地球温度比工业化前上升了1℃。如果目前的二氧化碳排放趋势持续下去，到2030年地球温度很可能再上升0.5℃[2]。

碳捕集、利用与封存技术在减少人类活动产生的温室气体排放方面发挥着至关重要的作用，尤其是那些与发电、制造业和交通运输相关的排放。为实现《巴黎协定》中限制全球变暖的目标，这一技术显得尤为重要[2]。然而，其实施需要投入巨额资金并承担较高的运营成本。若能降低捕集成本或开发出高附加值产品，将显著提升碳捕集、利用与封存系统的经济可行性。捕获的二氧化碳可用于生产市场商品，而无需长期储存在地下。二氧化碳有多种潜在用途，既可以直接使用，也可通过转化实现，数十年来已被广泛应用于各类工业流程中，包括食品加工、饮料碳酸化、强化采油、电子及纺织行业的清洁处理、焊接以及作为溶剂等。

已有多篇综述文章对碳捕集、利用与封存技术进行了全面阐述[3]、[4]、[5]、[6]。这些综述基于对相关技术的深入分析，介绍了该技术的核心原理、操作参数以及放大策略等内容。李等人对碳捕集、利用与封存技术进行了文献计量学分析，全面梳理了现有研究成果，评估了其基本特征，并确定了当前的研究热点[4]。哈尼法等人则研究了水泥生产过程中多种二氧化碳捕集技术，包括钙循环法、胺洗涤法、氧燃烧法以及直接分离法[6]。森蒂和佩拉托纳则从化学工程角度探讨了二氧化碳捕集及其后续利用问题[7]。他们认为，除了传统的技经评估外，还需考虑未来技术发展的可能性，这就需要深入分析那些难以克服的工程限制因素，以及这些限制对替代方案研发与应用的潜在影响。

布特-汉福德等人总结了不同的二氧化碳捕集方法，评估了它们的短期与长期可行性，并分析了其技术发展水平。他们还探讨了碳捕集、利用与封存策略在经济与法律层面的考量因素。奥伦等人则全面介绍了近年来金属有机框架作为吸附剂用于从低浓度源（低于10,000 ppm）捕集二氧化碳的最新进展[8]。朱等人对生物质基吸附剂的制备、活化/改性相关文献进行了全面总结，分析了影响其效率的因素、作用机制、动力学与热力学特性，以及再生、回收和潜在应用前景[9]。桑托斯和哈纳克则深入评估了当前用于减少水泥、纸浆造纸、钢铁以及石油行业碳排放的二氧化碳捕集方法[10]。金等人则对各种二氧化碳利用技术进行了全面分析，从效率、技术成熟度及成本效益等方面进行了评价。这些技术首先根据其当前应用状况及二氧化碳利用能力进行分类，随后逐一详细分析，重点关注其当前发展水平及长期应用的潜力[11]。安瓦尔等人则对将二氧化碳转化为燃料及高附加值产品的最新进展及新兴机遇进行了批判性分析[12]。瓦卢里等人则全面分析了二氧化碳的各种利用途径，评估了它们的适用性、潜在规模及主要局限，同时指出了一些尚未得到充分研究的领域，比如在工业过滤过程以及铁和氧化铝等工业原料处理中的二氧化碳应用[13]。

全球约40%的二氧化碳排放来自燃烧化石燃料的发电厂。这类工厂是二氧化碳捕集的重点对象，但面临着诸多设计难题。最大的挑战在于如何处理烟气中的杂质（除二氧化碳外），以及应对化石燃料燃烧所产生的大量二氧化碳。烟气中的常见杂质包括氮氧化物、硫氧化物、水蒸气以及颗粒物。不同燃料燃烧所产生的杂质含量各不相同。为了解决这些杂质带来的问题，有必要了解化石燃料燃烧过程中二氧化碳及杂质形成的基本原理。

尽管在碳捕集、利用与封存领域已经开展了大量研究，但大多数已发表的文献仅聚焦于其中的某个环节，如捕集、储存或利用。目前仍需要开展综合性研究，将这些要素结合起来，同时兼顾循环经济等新兴主题。此外，人工智能和机器学习等先进技术在优化碳捕集、利用与封存工艺中的作用往往被忽视。因此，迫切需要一篇能够全面涵盖该领域的综述，结合最新进展与跨学科方法，为人们提供更为系统且深入的理解。

本文旨在系统且批判性地分析碳捕集、利用与封存技术的最新进展。本文构建了一个综合性的框架，将碳捕集、利用与封存技术与先进的人工智能及机器学习应用相结合。尤其强调了人工智能和机器学习驱动的方法在工艺优化、预测性维护、二氧化碳捕集材料筛选、催化剂优化以及反应路径预测等方面的关键作用，从而加速下一代碳捕集、利用与封存技术的研发与应用。本文还采用了成本、效率、能耗以及技术成熟度等级等关键指标进行严格的定量评估，以便在不同技术之间进行有效的比较与基准测试。此外，本文还从战略决策支持的角度出发，对技术选择、技术经济可行性以及规模化潜力进行了深入分析。本文阐述了该领域所面临的关键技术经济问题，并指出了未来的研究方向，强调需要采取跨学科方法来推动碳捕集、利用与封存技术的可持续发展。

章节节选
方法与趋势
本文通过Scopus和Web of Science数据库进行了全面的文献检索，搜索关键词包括“二氧化碳捕集、利用与封存”，重点关注近期发表的文章。在Scopus数据库中共检索到2015年至2026年间发表的7,043篇论文，显示出该领域研究成果的持续增长趋势（见图1a）。从论文类型来看，64%为原创研究论文，14%为……

历史发展与时间线
自20世纪30年代起，为满足质量标准，人们就开始从天然气中去除二氧化碳，但此前大部分二氧化碳都被直接排放。自20世纪60年代起，二氧化碳强化采油技术在美国和加拿大开始得到应用。世界上第一个大规模的二氧化碳强化采油项目——位于德克萨斯州斯库里县的SACROC项目，是由雪佛龙公司于1972年1月26日启动的[14]。该项目的目标是捕获天然气处理过程中产生的废弃二氧化碳，通过管道输送后注入地层……

碳捕集技术
碳捕集、利用与封存技术涵盖了一系列旨在在工业过程的不同阶段捕获二氧化碳的技术，包括燃烧过程和气化过程。对于那些本身就会产生二氧化碳的行业，如水泥制造、钢铁生产以及天然气处理行业而言，这一技术尤为重要。当现有的最佳技术，如提高能源效率，已经得到应用之后，碳捕集、利用与封存技术仍是这些行业大幅减少碳排放的少数可行方案之一……

膜技术
近年来，有多项研究报道了基于膜技术的二氧化碳捕集方法。膜分离技术是利用一种名为膜的模块，通过排除气体流中的某些成分，同时让所需成分透过，从而实现气体分离。这一过程如图6所示。在处理过程中，经过预处理以去除杂质的烟气会被引导至膜的高压侧，随后膜模块会……

矿石矿化用于二氧化碳捕集与封存
二氧化碳矿化，也称为矿物碳酸化，是一种极具潜力的有效减少二氧化碳排放的方法[167]、[168]。它能加速岩石的自然风化过程，使二氧化碳与含有钙或镁的矿物质发生反应，将其永久转化为稳定的碳酸盐（CaCO3/MgCO3）[169]。目前，全球范围内对二氧化碳矿化技术给予了高度重视，有许多正在进行的研发项目致力于先进存储技术及二氧化碳矿化技术的发展……

二氧化碳转化与利用
科学界对二氧化碳的利用越来越感兴趣。人们通常认为，通过利用二氧化碳可以降低减排或从大气中去除二氧化碳的净成本，或增加相关收益，从而为加强减排工作提供支持[266]。纯化的二氧化碳有多种应用，包括生物燃料合成、药品生产以及燃料电池制造[267]。不过，目前大多数二氧化碳利用技术在经济上仍不具备可行性……

基于人工智能与机器学习的碳捕集、利用与封存技术
人工智能和机器学习等创新数字技术越来越多地被应用于二氧化碳捕集领域[344]。鉴于传统方法的成功率较低、运营成本高昂且耗时较长，人工智能和机器学习成为了推动现代二氧化碳捕集技术发展的关键助力[345]。机器学习有助于预测二氧化碳在各种溶剂中的溶解度以及吸附材料中的吸附容量，从而简化基于物质物理特性的溶剂设计与选择过程……

循环经济
近年来，人们越来越重视循环经济理念。这一理念强调通过资源的再生与再利用来生产新产品，而非传统的线性模式，即资源开采、产品制造以及废弃物处理。碳捕集、利用与封存技术可以为这种循环经济模式提供支持。通过捕获并重新利用废弃二氧化碳，减少二氧化碳排放并降低对化石燃料的依赖，碳捕集、利用与封存技术有助于推动经济模式从线性向循环型转变……

材料领域
未来的研究应致力于开发低成本材料，同时改善公众对该技术的接受度及完善相关监管体系，从而提升碳捕集、利用与封存技术的经济可行性[426]。在二氧化碳捕集研究方面，应优先选择适合特定工业应用的低成本吸附剂，需综合考虑其合成方式、生产成本、生命周期以及改性潜力。研究重点应放在提升吸附剂对水分、氮氧化物及硫氧化物的抗性上，尤其是在沸石、硅基吸附剂等方面……

结论
本文全面回顾了碳捕集、利用与封存技术的最新进展，重点探讨了化石燃料燃烧过程中二氧化碳的生成机制以及各种二氧化碳捕集策略。主要方法包括使用反应性胺溶液进行化学吸收，其去除效率可达90–99％，以及氧燃料燃烧法，该方法通过提高二氧化碳浓度来增强吸收效果。燃烧前捕获技术虽然具有能源效率优势，但也存在操作上的限制。在矿物化处理方面也取得了进展，例如采用了某种特定技术。

作者贡献声明：
Muhammad Ibrahim：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、概念设计。
Muhammad Kashif Shahid：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、概念设计。
Jun Wei Lim：撰写——审稿与编辑、可视化。

利益冲突声明：
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：
我们感谢匿名审稿人提出的宝贵建议，这些建议有助于我们改进手稿。本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助。