新減排理論定量揭示二氧化碳化學還原助力減排深度規律

溫室氣體排放導緻全球變暖是人類發展所面臨的重大危機。爲瞭(le)緩解這一危機，《巴黎氣候協定》指出到2100年時，全球溫度升幅需要控制在相對於(yú)第一次工業革命前的2℃以内。這要求全球大規模減少以二氧化碳爲主的溫室氣體的排放。

 在此背景下，二氧化碳的化學還原制高附加值産品在國内外的研究中呈現出瞭井噴的态勢。然而與學術界的持續升溫形成強烈反差的是，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和國際能源署（IEA）卻因爲全球高附加值産品整體規模的理論上限遠低於減排所需量，将二氧化碳的化學還原排除在主要減排策略之外。鑒於爲實現《巴黎氣候協定》中各國政府一緻設定的溫控目标而估算出的碳排放配額很可能在2040年之前耗盡，二氧化碳化學還原作爲一種受到廣泛關注的技術手段，其在減排中的可能應用亟需系統的研究。

上海科技大學物質學院林柏霖課題組建立瞭二氧化碳減排新理論，創造性地用兩個簡單的公式來定量描述途徑衆多、過程複雜的二氧化碳減排過程，首次提供瞭簡便系統的量化指标，可用於定量比較各種具有不同碳價态的二氧化碳電化學還原産物的本征減排能力，並定量推導出實現淨負排放的前提條件，爲利用化石能源或者低碳能源驅動的電化學固定二氧化碳法，實現大規模減排提供理論依據。

圖1： 用於(yú)量化二氧化碳電化學固定法的兩個質量單(dān)位能量化方程

圖文解析：

根據IPCC的統計，目前全球二氧化碳的年度排放量約爲410億噸，其主要來源是化石能源的燃燒，而美國能源情報署（EIA）的預測表明，化石能源的絕對燃燒量至少在2040年之前都将繼續增長。化石能源在短時間内仍是全人類能使用的最大能量形式。然而“全球碳計劃”（The Global Carbon Project）公布，爲達成溫控目标所估測的二氧化碳可供排放額度截至2016年僅剩約8000億噸。據此，文章做出瞭如果不盡快採取大規模二氧化碳減排的措施，剩餘的碳配額(é)很有可能在大約(yuē)20年内耗盡的判斷。

圖2：需大規(guī)模二氧化碳減(jiǎn)排的革新性策略

文章針對不同的減排策略，首次提出瞭由 “減排效率”、“儲存穩定性”和“經濟成本”三個重要指标構成的“黃金三角形”概念，用於定性評判二氧化碳減排策略的可行性。文章對IEA等權威機構報導的數據進行深入分析，提出具有良好“儲存穩定性”的二氧化碳的化學還原法除瞭可以用於生産高附加值的産品之外，還爲實現大規模減排提供瞭二氧化碳固化（将二氧化碳轉化爲非氣态産物）這一潛力巨大的策略，爲二氧化碳的捕集和直接封存（CCS）的提供瞭一個有益的補充。

作者以電化學還原二氧化碳（ERC）爲例，提出對(duì)二氧化碳排放量和固定量進行質量單(dān)位能量化的概念，實現用兩個簡潔的公式對多種多樣二氧化碳減排過程的質量和能量關系進行瞭統一描述。首先，基於二氧化碳還原和水氧化的全電池電解反應，得到不同還原産物對應的減排因子σ這一物理常數，σ與電池效率（CE）的乘積即可得到單位能量可以還原的二氧化碳質量W^°_ERC。減排因子由二氧化碳到還原産物的電子轉移個數n和标準電池電勢E^°_cell決定，直接反映ERC通過消耗單位能量的二氧化碳本征固定量，可用於(yú)定量比較各種具有不同碳價态的二氧化碳電化學固定産(chǎn)物的本征減排能力。定量計算表明，σ随還原過程電子轉移個數n的增大而減小，且n的影響遠大於E^°_cell。标準二氧化碳排放量W^°_CO2,emitted表示通過生命周期分析法計算出的各種化石能源發電技術單位發電量對應的二氧化碳排放量。通過比較單(dān)位能量化的二氧化碳固定量和排放量，可以直觀地判斷在理想情況下，化石能源驅動(dòng)ERC得到特定還原産(chǎn)物是否有潛力實現二氧化碳淨負(fù)排放。作者通過這種系統比較意外發現，将二氧化碳還原爲較高碳價态的非氣态産物（還原過程中較小的電子轉移數n）的電化學過程存在利用化石能源實現二氧化碳減排的可能性。

圖5： 化石能源驅動二氧化碳電化學還原 (A) 各種化石能源發電技術單位能量化的二氧化碳排放量（标準二氧化碳排放量W^°_CO2,emitted）：循環流化床發電（FB），亞臨界燃煤發電（Sub），整體煤氣化聯合循環發電（IGCC），超臨界燃煤發電（Super），天然氣燃氣輪機發電（NGCT），天然氣聯合循環發電（NGCC）；(B)比較單位能量化的二氧化碳固定量σ和排放量W^°_CO2,emitted；(C)還原産物的相對能量随其平均碳價态的分布圖，用於理解化石能源驅動ERC實現淨負排放的可行性。 

作者接下來考慮電解質消耗、氣體壓縮、電解液循環等輔助操作以及基礎設施建設造成的額外二氧化碳排放，引入單位能量化的質量修正因子δ，並獲得定量計算減排效率η的簡潔公式。文章分析指出，二氧化碳還原固化與制高附加值産品的最大不同在於産物的分離提純，後者因爲産物的分離提純造成瞭大量的額外碳排放，而前者則避免瞭這一問題。對二氧化碳還原固化來講，電(diàn)解質消耗所造成的額(é)外二氧化碳排放的比例最大，因此採用例如海水或者鹽水溶液等低碳電解質來有效減小修正因子δ，是實現高減排效率的關鍵前提條件。

文章定量分析發電技術、還原産物、電池效率以及周邊操作對減排效率η的影響，並(bìng)以還原産物草酸爲例，詳細計算出瞭(le)使用各種不同的電來實現淨負排放的前提條件，給出瞭(le)可行的技術路線。例如NGCC電力驅動ERC以60%的電池效率還原二氧化碳至草酸，最高可實現141%的減排效率。随著CE的提升，減排效率也會随之大幅提升至接近300%。化石能源驅動二氧化碳還原成草酸可以實現較高的淨減排效率，並可以作爲一種無毒固體被便捷地儲存，甚至在需要時還可以作爲大宗化工産品的生産原材料，是一種優良的固化産物。

使用包括太陽能、風能在内的低碳能源将顯著增大ERC的減排效率。低碳發電技術驅動ERC得到草酸爲例，由於低碳電力排放量W^°_CO2,emitted和周邊操作的額外排放量δ，相較於草酸的減排因子σ幾乎可以忽略，極高的減排效率使電化學還原固定二氧化碳具有非常大的減排潛力。 

圖7、以低碳發電(diàn)技術驅動(dòng)ERC得到草酸爲例，探究電(diàn)池效率等因素對減排效率的影響。

單位能量化的二氧化碳排放量、固定量和兩個質量單位能量化方程，還可用來方便地估算碳價格，爲制定碳排放稅和建立碳交易系統提供便利的支持。文章在這方面也做出瞭初步的定量計算。 

雖然太陽能和風能等低碳能源增長快速，溫控目标的最終實現也離不開低碳能源的持續發展，但是其規模在近期尚不足以驅動二氧化碳還原來滿足減排的需求。鑒於剩餘碳配額的快速消耗，溫控目标的達成很有可能無法等到低碳能源足夠成熟之時。該研究首次從理論和規律上爲二氧化碳化學固定這一減排策略在低碳能源之外，打開瞭(le)化石能源這一扇大門，進而爲低碳能源的成熟和發展，並(bìng)最終實現溫控目标創造更多的機會。 

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