CO2的电驱动还原

CO₂的过量排放已威胁到了环境与能源的可持续发展,通过化学或生物手段将其转化为化工原料或生物燃料能够有效缓解由CO₂过量排放造成的能源与环境压力。然而CO₂的还原过程是非自发且缓慢的,依赖于外部提供的能量和催化剂。如何实现长效的能量供给并针对性开发高性能的催化剂是CO₂回收转化技术的重点。利用稳定、清洁的电能作为驱动力,在催化剂的协同下将CO₂增值为化学品并实现碳中性循环。这种策略被称为CO₂的电驱动还原,在CO₂转化方面优势显著。从CO₂无机电催化和CO₂微生物电合成2个方面综述了近年来CO₂电驱动还原的研究进展。首先,对比和讨论了CO₂的无机电催化中不同类型的电催化剂的特性,以及优化和改性的手段。其次,总结阐明了微生物电合成中电极与微生物催化剂之间直接和间接的电子传递方式,并重点讨论了不同电子载体（H₂、甲酸、天然和人工的氧化还原电子载体）介导的间接电子传递的相关工作。最后总结展望了CO₂电驱动还原系统的发展。     

Blautia coccoidesGA-1的传代培养及其同化H2/CO2产乙酸特征

为了解同型产乙酸菌异养代谢与自养代谢的相互作用与机制,并为快速获得具有较强自养代谢能力的菌体细胞提供培养方法,以H₂/CO₂和(或)葡萄糖为碳源,考察了Blautia coccoidesGA-1在连续传代培养中的代谢特征。结果表明,以H₂/CO₂作为唯一碳源进行连续传代培养时,菌株GA-1长势较弱,其子代的自养代谢能力也逐渐下降;在葡萄糖培养基中,菌株GA-1增殖旺盛,但高浓度的葡萄糖对其自养代谢能力有显著抑制作用,这种抑制作用可能是自养代谢和异养代谢对辅酶A和ATP的竞争、酸性环境造成的代谢抑制以及辅酶I的氧化还原平衡调节等综合作用的结果。以体积比为4:1的H₂/CO₂混合气为气相条件,用200mg·L^-1葡萄糖培养基对菌株GA-1进行传代培养,不仅可获得稳定的子代培养物,而且可以将其利用H₂/CO₂产乙酸的能力维持在2.16g乙酸·(g干细胞)^-1的水平。     

高碳与光调控对微藻捕集CO2的影响机制

微藻捕集烟气CO₂是一种环境友好的、可持续发展的碳减排技术。微藻通过光合作用固定CO₂,光是驱动光合作用的原初能量,CO₂是支撑光合作用的物质基础,通过调控光源和碳源可以最直接有效地促进CO₂的捕集。然而,由于微藻对光谱吸收具有选择性、不同生命阶段对光谱吸收具有差异性,盲目的归一化调控策略将收效甚微。本文简述了几种可以提高微藻固碳效率的光调控策略,从宏观上分析了光质对微藻捕集CO₂效率的影响,从微观上分析了碳代谢途径对光质调控的响应机制,并提出在深入剖析微藻生命周期光需求的条件下,结合实际情况和目标产物实施个性化、定制化的光调控策略。提高微藻在高碳环境下的固碳效率是微藻捕集CO₂技术的首要问题,本文分析了高浓度CO₂诱导下细胞内环境的维稳机制,从CO₂传输过程和光合作用质能转化途径上深入探讨了高浓度CO₂对微藻固碳的影响机制,为从代谢和分子水平刺激碳捕集过程,提高固碳效率提供了理论依据和重要参考。     

CO2捕集与合成甲醇利用技术的研究进展

二氧化碳(CO₂)是主要的人为产生的温室气体之一，其排放量的不断增加，引起了社会各界的广泛关注。近年来，科学家不断尝试从源头上减少CO₂的排放，但没有取得明显的效果。实际上, CO₂既是温室气体的主要来源，也是有用的碳源。因此，如何捕集和有效利用CO₂也是近年来许多学者一直在探索的研究方向。本文综述了吸收法、吸附法、膜分离法等主要的CO₂捕集方法；从CO₂的利用、H2的来源、CO₂加氢合成甲醇工艺等方面介绍了CO₂加氢合成甲醇的研究进展，为缓解CO₂排放提供参考思路。     

二氧化碳的活化及其催化加氢制二甲醚的研究进展

CO₂是一种稳定的物质,其化学惰性限制了CO₂转化技术的发展。本文介绍了化学催化、生物活化、光电活化及等离子体活化等CO₂活化方式,从CO₂催化加氢合成二甲醚的工艺研究、催化剂开发、催化加氢机理和本征动力学研究等方面综述了CO₂催化加氢合成二甲醚的研究进展,认为化学催化法是目前应用最广泛的一种CO₂活化方式。对于一步法催化CO₂加氢合成二甲醚的工艺,其难点是制备高效CO₂活化催化剂。开发高效的CO₂活化及转化催化剂及对CO₂合成二甲醚的反应过程进行机理探究,是推广CO₂转化技术的关键。     

MOFs材料在CO2加氢制甲醇催化剂中的应用

作为最主要的温室气体，CO₂的大量排放引发了全球变暖等一系列环境问题。利用CO₂加氢合成甲醇是实现CO₂循环利用、解决环境问题的切实可行的途径。开发高效、高选择性的催化剂是实现CO₂加氢制甲醇工业化应用的关键。近年来，金属有机骨架(MOFs)材料由于其结构多样性、设计灵活性的特点在催化领域引起了广泛关注，MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的合成，可以有效解决目前CO₂加氢制甲醇催化剂存在的反应选择性低、CO₂转化率低、合成速率低等一系列问题，提高催化性能。综述了CO₂加氢制甲醇MOFs材料催化剂的研究进展，论述了MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的优势及合成方法，评价了MOFs材料对不同的金属基催化剂的改善作用及存在的不足，并对其应用的挑战和前景进行了讨论。     

流场对MEC生物阴极CO2还原性能与产物的影响

针对微生物电解池 （microbial electrolysis cell,MEC）CO₂还原过程阴极CO₂还原速率低的问题,本文通过改变阴极室的流场环境,探究流场对生物阴极启动、运行、产物及功能微生物的影响,阐明MEC生物阴极CO₂还原性能、产物转化、微生物群落对流场的响应关系。结果表明,流场不仅增强了生物阴极还原CO₂能力（电子消耗量提高了10%,其中CO₂产乙酸途径消耗电子量提高了30%）,还使生物阴极的CO₂还原途径由启动阶段的CO₂还原产甲烷转变为运行阶段产乙酸。高通量分析表明,流场改变了生物阴极和阴极液的微生物群落结构,使阴极生物膜的嗜氢型产甲烷菌（Methanobacterium）向嗜乙酸型产甲烷菌（Methanosaeta）主导的群落演变。产乙酸菌群落（Petrimonas、Candidatus_Caldatribacterium）丰度较对照组提高了3.8%,在CO₂产乙酸过程中起到重要作用。本研究可为MEC还原CO₂产乙酸的定向调控研究提供理论和技术支撑。     

离子液体中电活化CO2合成有机碳酸酯的研究进展

综述了近年来离子液体介质中CO₂电活化合成有机碳酸酯的研究进展, 着重概述了电催化合成碳酸二甲酯(DMC)和环状碳酸酯的研究现状, 并简述了CO₂间接电活化和直接电活化技术, 以及反应介质、电极材料等因素对反应产物的影响, 对电催化还原CO₂的关键技术和今后研究重点进行了探讨。离子液体具有不易挥发、可循环使用、导电性好、对CO₂有较高溶解度等优点, 在CO₂固定和有机资源化研究中日益受到重视。电化学作为一种环境友好的绿色合成新技术, 在CO₂有机资源化方面有很好的应用前景, 对缓解日益严峻的温室效应、实现CO₂的资源化利用具有十分重要的现实意义。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

CO2电催化还原制合成气研究进展及趋势

可再生电能驱动CO₂电催化合成化学品或燃料,具有反应条件温和、产物选择性可调且可利用分布式可再生能源优势。合成气作为一类重要的化工原料气,可制备甲醇、乙醇、烯烃等大宗化学品,是CO₂电催化转化的重要途径,如何高电流密度、高选择性且精准调控碳氢比例(CO/H2)是需要解决的关键科学技术难题。本文从提升电流密度和效率、拓宽合成气比例角度出发,综述了CO₂电催化还原制合成气的最新研究进展,包括电极材料设计、电解液开发、电解槽结构创新等;论述了利用原位表征和理论模拟(DFT、MD)方法对CO₂电催化还原制合成气反应机理的研究进展。在此基础上,提出可通过催化剂多级形貌调控、多活性位点设计、CO₂捕集与转化系统集成、CO₂还原与阳极反应耦合等途径,提升CO₂电催化还原制合成气效率的策略。最后,探讨和展望了实现CO₂电催化还原制合成气工业化的挑战和问题。     

Methanation of carbon dioxide: an overview

Although being very challenging, utilization of carbon dioxide (CO₂) originating from production processes and flue gases of CO₂-intensive sectors has a great environmental and industrial potential due to improving the resource efficiency of industry as well as by contributing to the reduction of CO₂ emissions. As a renewable and environmentally friendly source of carbon, catalytic approaches for CO₂ fixation in the synthesis of chemicals offer the way to mitigate the increasing CO₂ buildup. Among the catalytic reactions, methanation of CO₂ is a particularly promising technique for producing energy carrier or chemical. This article focuses on recent developments in catalytic materials, novel reactors, and reaction mechanism for methanation of CO₂.     

CO2化学转化研究进展概述

CO₂的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO₂的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO₂极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO₂化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO₂加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO₂光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO₂转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO₂的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了“基于CO₂高效转化利用的关键基础科学问题”国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO₂光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO₂还原新途径与新技术的突破;研究CO₂与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO₂过程的相变规律和矿化反应原理,为CO₂转化与利用的大范围推广奠定基础。     

CO2甲烷化研究进展

CO_2是造成温室效应的主要气体,作为碳基能源使用的末端形态,CO_2也是种重要的基础碳源。因此,将CO_2转化为能源产品可以快速实现碳的循环,对环境与能源领域意义重大。介绍了CO_2的排放、回收以及资源化利用现状,从催化剂体系、反应机理、合成工艺以及工业化现状等方面系统地介绍了CO_2甲烷化的发展。针对H2供给对CO_2甲烷化应用的限制,分析了电解水制氢再与CO_2进行甲烷化反应的电制气(Pt G)技术的发展现状、工艺路线及其经济性,讨论了该技术在我国应用的可行性。提出随着CO_2捕集与新能源相关技术的发展,Pt G技术会更加成熟,将有望成为未来CO_2资源化利用的重要形式。     

Cyanobacterial photo-driven mixotrophic metabolism and its advantages for biosynthesis

Cyanobacterium offers a promising chassis for phototrophic production of renewable chemicals. Although engineered cyanobacteria can achieve similar product carbon yields as heterotrophic microbial hosts, their production rate and titer under photoautotrophic conditions are 10 to 100 folds lower than those in fast growing E. coli. Cyanobacterial factories face three indomitable bottlenecks. First, photosynthesis has limited ATP and NADPH generation rates. Second, CO₂ fixation by ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) has poor efficiency. Third, CO₂ mass transfer and light supply are deficient within large photobioreactors. On the other hand, cyanobacteria may employ organic substrates to promote phototrophic cell growth, N₂ fixation, and metabolite synthesis. The photo-fermentations show enhanced photosynthesis, while CO₂ loss from organic substrate degradation can be reused by the Calvin cycle. In addition, the plasticity of cyanobacterial pathways (e.g., oxidative pentose phosphate pathway and the TCA cycle) has been recently revealed to facilitate the catabolism. The use of cyanobacteria as “green E. coli” could be a promising route to develop robust photo-biorefineries.     

化学吸收剂强化微藻固碳研究进展

微藻固碳可缓解因化石燃料燃烧所造成的全球性气候变化和能源危机而受到广泛关注,但固碳效率低是限制其广泛应用的主要障碍,目前,化学吸收剂强化微藻固碳技术逐渐兴起。本文从培养液环境特征和微藻固碳生理生化表型特征两方面对化学吸收剂强化微藻固碳研究进行梳理和总结,其中所涉及的调变参数包括：化学 吸收剂种类、添加量、添加方式、添加时期等。最后,评述了现有化学吸收剂强化微藻固碳技术存在的共性问 题——作用机制和设计原则不清,并就该问题从微观-介观-宏观3个层面提出解决路径。运用组学分析技术,探究化学吸收剂强化微藻固碳的调控机制和本质原因;结合“光化学-原位微量热”测试技术掌握化学吸收剂强化微藻固碳的共性途径及其变化规律;通过可视化实验方法阐明CO₂供应、溶解、传递和固定之间的平衡关系。实现化学吸收剂的精准调控,提高微藻固碳效率。     

吸收-微藻法固定燃气电厂低浓度CO2同步产油技术研究进展

燃气电厂利用稳定、清洁的化石能源发电,在“双碳”背景下发电过程产生的低浓度CO₂的捕集和资源化利用,对于实现碳中和至关重要。针对低浓度CO₂捕集难度大、脱附费用高的问题,利用CO₂吸收液同步培养微藻产油提供了一种实现低浓度CO₂捕集与资源化利用于一体的新途径。具有高CO₂捕集能力和同时快速培养微藻能力的吸收液是溶液设计和配制的决定性因素。本文总结了现有吸收液的应用现状,梳理出复合吸收液耦合微藻营养调控的碳捕集发展前景,其中吸收液的碱度和盐度对微藻同化CO₂具有显著影响。讨论了在不同温度和光照的工艺条件对微藻生物转化CO₂的影响,阐述了CO₂气体以微孔鼓泡和气升导流的方式通入反应器对CO₂捕集和微藻生长的不同效果。从促进微藻吸收CO₂同步产油的角度,介绍了藻种诱变驯化和基因改造以提升环境适应性同时增强脂质生产的研究进展,最后通过经济分析展望了规模化应用吸收-微藻法的经济可...     

基于二氧化碳、水、太阳能的绿色化工精炼

化石资源为人类提供了不可或缺的化学品、材料以及燃料,但也造成了大量二氧化碳排放。生物质是可以生产低碳化工产品的可再生资源,但要占用有限的可耕地资源。提出了直接以二氧化碳、水和太阳能为原料的绿色化工精炼。采用光电板收集太阳能并转化为电能,电能通过膜式水电解池产生氢气,氢气通入新型生物反应器并在自养菌的作用下把二氧化碳还原为聚三羟基丁酸酯(PHB)。此新型生物反应器解决了因气体溶解性低而影响传质速度的关键技术,微生物干重产出达0.18 g·L^-1·h^-1,其中PHB质量分数约50%。PHB不仅是优良的可生物降解塑料,也是可用于生产C₃～C₄有机低分子和芳香烃的平台化合物。在磷酸催化作用下,PHB可转化为与汽油相当热值和元素组成的C₄～C₁₆燃料油。分离PHB后的细菌生物质残渣可水热分解获得生物油和富氮水相产物。此生物油具有比植物生物油更高的热值,而水相产物可作为营养物用于培养微生物。     

氯化钙助剂分解钾长石制备氯化钾研究评述

概述了国内外以CaCl₂为助剂分解钾长石制备氯化钾的研究历史及现状。以四川宝兴钾长石资源为例,从工艺过程的反应原理、资源消耗、能量消耗、环境相容性和产品方案等方面,对比分析了CaCl₂高温活化钾长石矿化CO₂联产氯化钾工艺（高温固碳法）与水热碱法分解钾长石制取硫酸钾工艺（水热碱法）。结果表明,两种工艺分解钾长石在原理上均可行,但高温固碳法的资源消耗、能量消耗和CO₂排放量分别为水热碱法的1.59倍、2.45倍和4.10倍;高温固碳法除产品氯化钾外,需排放大量含氯化氢气体的有毒尾气及固碳尾渣,而水热碱法的副产品均为高附加值产品,三废排放接近于零。高温固碳法的固碳效率低,所固化CO₂仅相当于因固碳而消耗能量所排放CO₂总量的11.9%。因此,高温固碳技术距实际工程应用尚十分遥远。     

Electrolytic cell engineering and device optimization for electrosynthesis of e-biofuels via co-valorisation of bio-feedstocks and captured CO2

Utilizing CO₂ in an electro-chemical process and synthesizing value-added chemicals are amongst the few viable and scalable pathways in carbon capture and utilization technologies.CO₂ electro-reduction is also counted as one of the main options entailing less fossil fuel consumption and as a future electrical energy storage strategy.The current study aims at developing a new electrochemical platform to produce low-carbon e-biofuel through multifunctional electrosynthesis and integrated co-valorisation of biomass feedstocks with captured CO₂.In this approach,CO₂ is reduced at the cathode to produce drop-in fuels(e.g.,methanol)while value-added chemicals(e.g.,selective oxidation of alcohols,aldehydes,carboxylic acids and amines/amides)are produced at the anode.In this work,a numerical model of a continuous-flow design considering various anodic and cathodic reactions was built to determine the most techno-economically feasible configurations from the aspects of energy efficiency,environment impact and economical values.The reactor design was then optimized via parametric analysis.