碳捕集与净零排放之路
矛盾的是，尽管二氧化碳（CO2）对于地球上所有植物生命至关重要，而动物和人类的生存又依赖于这些植物，但大气中这种气体的过量存在却正在导致全球变暖，威胁着部分群体的生存。
The problem of CO2 emissions from increased burning of fossil fuels dates to the 18th century, with the start of the industrial revolution in certain countries. Today, scientists have estimated the rise in average global temperatures is expected to reach 1.5oC by 2030–2052 (Figure 1). The volume of CO2 emissions is exacerbated by industrialization, urbanization, and sharply increasing world populations (Figure 2).
The 21st Conference of Parties on Climate Change (COP21) in 2015 adopted an ambitious target called the ‘race to zero’ by 2050. This momentous goal of eliminating net carbon emissions completely in under 30 years will require universal changes in global industrial processes and domestic energy practices. The better-known methods to achieve this goal involve various sustainable forms of power generation, such as wind and solar power; however, a less publicized but equally important approach is the capture of CO2 at the source or directly from the atmosphere (carbon capture). The technologies involved are restricted by high costs and somewhat limited storage capacity so currently, only 0.1% of global CO2 emissions are sequestered; this is predicted to rise to 19% by 2050. Research efforts in carbon capture technology have increased in recent years, but to date, only a few applications have been commercially deployed. With increasing public awareness and urgency around preventing or reducing climate change, the pressure is on to devise more efficient carbon capture technologies.
CAS内容合集™中的碳捕集
The CAS Content Collection™ is the largest human-curated collection of published scientific knowledge, suitable for quantitative analysis of global scientific publications against variables such as time, research area, formulation, application, and chemical composition. To assess the recent and ongoing research effort into carbon capture, an important new CAS Insight provides an overview of the latest trends. The Insight summarizes the results of an extensive recent analysis (∼18,500 documents published between 2000 and 2021) detailing terms related to carbon capture, including methods employed, storage or conversion, which were used in combination with terms related to atmospheric CO2 or its environmental effect.
关键研究趋势与碳捕集方法
文献分析显示，自2008年以来，所有关于碳捕集与封存的出版物数量迅速增加，在2010年代中期有所放缓，但近期又再次回升。这可能反映了当前的经济状况和感知到的紧迫性，同时也似乎与油价有关。当油价较低时，碳捕集显得成本过高，因此封存工作往往受到限制。分析检索到的相关专利数量较少（10%），表明该技术的商业兴趣较低；然而，近期专利数量已呈现出令人鼓舞的快速增长态势。
各种碳捕集方法可分为四大类：材料科学、生物学、化学和地质学。
材料科学方法
Material science approaches, including systems for carbon capture from flue gases, are summarized in Figure 3 and Table 1. Among these, post-combustion capture is the most widely used being suitable for retrofitting to flues on existing power plants but employs much energy and is therefore expensive to run. An emerging method, direct air capture, in which CO2 is captured directly from the air, could have a wide application, but this process is made more difficult by the low concentration of atmospheric CO2 and has a high cost.
表1. 材料科学方法：二氧化碳（CO2）捕集工艺对比
表 2 总结了从烟气中捕集二氧化碳的关键方法。这些方法包括化学吸收法（使用碱性溶液）和物理吸收法（使用甲醇或 Selexol 等非腐蚀性溶剂）。其他方法包括多孔固体吸附剂吸附法（研究较为成熟），以及膜过滤法。膜过滤法虽属新兴技术，但由于其 CO2 分离效率较低，目前尚未得到广泛应用。
表 2. 材料科学方法：CO2 捕集方法比较
生物学方法
生物学方法在碳捕集中的应用主要利用了光合作用，这是地球上 CO2 吸收量最大的途径。木材或藻类等各种植物材料可转化为生物燃料（生物质）进行燃烧，从而实现碳中和与可持续发展。基于酶的技术有望成为生物系统的替代方案。一个典型的例子是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (RubisCO)，这是一种含量丰富且备受研究的酶。然而，其 CO2 捕集过程在自然状态下较为缓慢，目前的研究旨在提高 RubisCO 的活性，以实现工业化应用。
化学方法
碳捕集还涉及多种化学方法，例如催化工艺（涉及氢还原），这些工艺已在多吨级规模上得到广泛部署。其他常用的方法包括电化学工艺，即利用质子和催化剂来还原 CO2。利用清洁能源的光化学、光热和光电化学工艺是极具前景的方向，但目前受限于光能向底物的有效转化。此外，等离子体工艺也具有潜力，但能耗较高，在碳捕集中的应用仍需进一步开发。
地质学方法
地质碳捕集方法是实现 CO2 长期封存、使其远离大气的关键解决方案。捕集的 CO2 可经压缩、运输后注入深层多孔地质构造或咸水层中。该工艺具备封存数千兆吨 CO2 的潜力，但选址的适宜性至关重要。
CAS 关于碳捕集的文献分析
CAS 文献分析显示，2007 年之前关于 CO2 捕集的出版物数量较少，随后在 2010 年代初达到峰值并趋于稳定（图 4）。关于燃烧前捕集和富氧燃烧的出版物相对较少，这很可能是由于改造现有设施存在经济困难，但近年来这些领域的研究有所增加。专利申请量在 2012 年出现增长后趋于平稳，表明商业领域对此持续关注。
CAS 分析还显示，与往年相比，过去六年关于各种 CO2 转化化学方法的出版物数量增长迅速（图 5）。其中，甲烷化、等离子体介导工艺和逆水煤气变换法受到的关注度最高。
出版物数量表明，人们对生物 CO2 固定技术的兴趣迅速上升，但专利申请量保持平稳，反映出目前仅有少数技术具备商业化条件（图 6）。不过，关于生物能源与碳捕集和封存 (BECCS)的出版物表现出了强劲的关注度。
关于 CO2 地质封存的出版物稳步增长，于 2013 年达到峰值后有所回落（图 7）。近年来，包含“含水层”、“盐水”、“卤水”、“页岩”和“包合物”等检索词的文献数量超过其他领域，反映出对这些封存类型的关注度更高。
将梦想变为现实
对 18,500 篇文献进行的 CAS 分析表明，人们对多种 CO2 封存方法的兴趣正在迅速增长。目前，尚无单一方法占据主导地位；虽然得到广泛应用的技术寥寥无几，但分析显示，各界在利用现有技术和开发新技术方面投入了巨大的研究力量。专利申请数量虽少于研究论文，但也体现了对某些技术的商业兴趣。近期成果的增加很可能反映了公众对全球变暖意识的增强，以及人们意识到采取应对行动已刻不容缓。随着紧迫感的加剧，研究活动与经济状况及油价之间的明显相关性可能会减弱。CAS 确定的出版趋势表明，研究和技术部署的步伐很可能会以 2000 年时难以想象的速度持续下去，并受到全球变暖现实日益凸显的驱动。
