全球工程前沿2023-CO2四大研究热点课题.docx

全球工程前沿2023:CO2四大研究热点课题在9个领域共遴选出93个工程研究前沿和94个工程开发前沿,并重点解读28个工程研究前沿和28个工程开发前沿。其中涉及电池、氢能、储能、光伏、芯片、复合材料、生物基材料、碳捕集等多个热门行业的前沿技术。其中围绕CO2应用开发方面，有多个研究领域上榜，包括：（1）可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料；（2）面向二氧化碳转化利用的高效电催化剂与反应体系；（3）非二氧化碳温室气体减排与资源化；（4）低碳及零碳燃料发动机技术等4大领域，并附有发展路线图。（1）可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料可再生能源驱动生物固碳是利用光能、电能等可再生能源替代化学能作为生物固碳途径的能量和还原力来源，用于生产生物基化学品、清洁燃料以及生物绿色材料的过程，可以进一步发挥生物固碳的优势。现阶段的相关研究多着眼于光/电驱动的体外多酶固碳和光/电驱动的全细胞固碳，主要集中于：生物固碳新途径的开发：新型生物相容性光/电催化材料的制备；生物催化模块与光/电催化模块的耦合适配工程。可再生能源驱动生物固碳具有原料绿色化、过程绿色化和产品绿色化的特征，然而该技术的总体能量效率不高，面向工业化应用时仍存在一些技术瓶颈。未来，应着重于以下几个方向：开发原位表征新技术，阐明生物催化剂与人工催化剂的能量交流机制，加深对二者耦合过程的认知；开发高效率、高适应性的优质生物催化剂，实现核心酶和核心菌种的技术自主化，提高产品的产量；针对原料供给、过程强化到产品分离工程，开发工业化高端反应器和分离介质，建立成熟的装备与技术体系。如今，世界各国相继颁布了针对绿色生物制造的国家发展战略。中国的"十四五生物经济发展规划中指出，要推动能源产业与重要工业产品制造与生物技术深度融合，向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型。美国公布的美国生物技术和生物制造的明确目标中计划在未来9年内通过生物转化实现千兆吨级的CO2固定，每吨的成本将低于100美元。利用可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成生物基化学品、生物能源及材料能实现全流程低碳化，是未来生物制造的发展重点，将颠覆原有的产业格局，降低人类对化石能源的依赖，带动未来经济绿色发展。在"双碳目标下，自2020年提出“第三代生物炼制以来，以光/电催化耦合生物催化为代表的研究快速发展，多样的途径和机制得到了开发。生物催化剂既能直接利用光/电催化材料提供的电子实现固碳，也能利用甲酸、乙酸、甲醇等CO2还原的初级产品进行发酵。另外，得益于合成生物学与酶技术的进步，可再生能源驱动生物固碳的产物谱系越来越丰富，包括L-乳酸、二羟基丙酮、乙醇酸等原料化学品和聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等生物基可降解塑料在内的一系列产品，能够以CO2为唯一碳源被生产出来。然而，与传统化工固碳产业相比，可再生能源驱动生物固碳仍存在一定的效率瓶颈,主要解决办法包括：挖掘和改造高活性的酶和菌种，理性设计更加高效的固碳生物途径；提高可再生能源的利用率，开发生物亲和、低毒性的光/电催化材料；优化光/电催化模块与生物催化模块的热力学和动力学适配，或将采用分离解耦策略，保证各模块的最佳效率。近年来，"可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料工程研究前沿中核心论文的主要产出国家和机构中，41.3%的核心论文来源于中国（主要产出机为中国科学院和天津大学），其次分别是美国、印度、韩国和德国，占比均在10%以上。可再生能源驱动生物固碳的研究在近年来得到了迅猛发展。将转化可再生能源的人工器件与生物催化剂相耦合的关键问题在于耦合机制，在未来的研究中，首先应着重发展相应的表征技术，揭示人工器件与生物组分之间的物质和能量交流机制，并以此不断推动人工-生物高效互作新体系、新模型的开发。其次，生物催化剂是该过程的研究核心，工业酶和工业菌种的发掘与改良进程决定了可再生能源驱动生物固碳的产业化进程,需要借助学科交叉工具将大数据和人工智能(AI)等计算机技术和前沿物理、化学技术应用于工业酶、工业菌种的筛选、改造与创制，在未来几年内实现核心酶和核心菌种的技术自主化。最后,研究适用于可再生能源驱动生物固碳的高端工业反应器，实现从CO2到各类燃料和化学品的实时监测、精确调控和高效分离，以适应不同的生产需求，打造有针对性的高效生产路线。工农业.交通、垃圾处理等高浓度COA气拽化COz气体光.电催化人工新材料、新器件的开发计算机技术腐助工业的开发高度适应产费化篇求育的创制co,向化底鱼生物的开发工曼化人工生构的设计再造C0,分离捕集，光、电化学人工JB件与生物合的上下Jl产业Sf贯通C0,SI各类产品的工业流程实时Ifi利、精确调控和育效分离第三代生物制造应用于化工、食品、集源、材料、医药行业应用探索建立光就' 电能吆动生物 育效因核新模梨“立光簸、电簸呕动生物IS碳的大规模产业化示范过程图1.2.3"可再生能源驱动生物催化转化二氧化碳合成化学品、能源及材料”工程研究前沿的发展路线(2)面向二氧化碳转化利用的高效电催化剂与反应体系在整个能源和环境体系中，二氧化碳（CO2）绿色高效转化与利用是实现低碳能源高效转化的核心。其中，碳捕集、利用与封存（carboncapture,utilizationandstorage,CCUS）技术已逐步成为目前应对气候变化，实现"碳达峰、碳中和目标（简称"双碳目标）的关键技术。目前，太阳能、风能等可再生能源提供的绿电驱动CO2催化转化，不仅可以解决CO2过度排放的问题，还可以实现间歇性电能直接转化为化学能，对实现碳平衡和优化能耗结构具有重要意义，受到广泛关注。CO2电催化转化的研究主要集中在以下几个方面：利用原位光谱技术监测Cc）2还原反应（Cc）2reductionreaction,Co2RR）中的关键中间产物,同时结合理论计算构建Co2催化转化过程中的反应网络：设计开发高性能电催化剂,调控优化催化剂结构，研究催化剂结构与C02RR性能之间的构效关系：合理设计优化电极结构以及调节整个电解反应器来控制反应体系的运行，利用其模块化特点实现调控优化，使得各指标达到工业化应用要求。CO2RR的进一步发展需要提高电催化剂的长期连续运行稳定性，并扩大Co2电解槽的规模，止匕外，还需要确定其实际应用的目标、产品的经济性和市场供需。最终的产品分离和过剩的CO2原料气体与电解液的回收成本也需要进一步设计管理。利用可再生能源驱动电还原CO2生成高附加值化学品为解决能源危机和环境问题提供了一种有效的方法。近年来，用于二氧化碳还原的电催化剂材料的研发在选择性、效率和反应速率方面取得了极大进展，并朝着实际应用的方向发展。C02可通过电还原制备各种化工产品，如甲酸、合成气、醇类和烯煌等，这些产品的生产规模较大，因此转向可再生能源驱动生产可以极大地减少CO2的排放。由于CO2具有极高的热力学稳定性，导致其很难被活化。此外，通过C-C偶联生成高附加值C2÷产品也存在难度。近几十年来，C02RR领域的研究在高活性或高选择性电催化剂的设计及CO2RR机理方面取得了重大进展。目前的研究主要集中在以下几个方面：合理设计、可控制备高效电催化剂，通过晶面、形貌、表面电子结构调控等措施，提高其上的Co2RR活性、选择性和稳定性；利用各种原位表征手段，如原位红外光谱、原位拉曼光谱、原位电镜等技术,对CO2RR过程中的反应中间体和催化剂表面结构演变进行监测，从而揭示其上催化剂表面和电子结构对催化反应的调控作用及动力学机制；合理设计电极结构,通过疏水性材料（如聚四氟乙烯等）改性，提高电极表面的疏水性能，从而避免长期运行过程中的液泛问题，使得电极稳定性得到提高。优化调节电解反应器的结构，增强反应传质和提高能量效率。近年来，面向二氧化碳转化利用的高效电催化剂与反应体系工程研究前沿中核心论文的主要产出国家及机构中，中国位居第一，核心论文71篇，占比达66.36%,远高于美国、澳大利亚、加拿大等国家。主要产出机构中，中国科学院位居第一，中国科技大学和斯坦福大学次之。在温和条件下通过电催化将CC)2活化转化，进而合成社会经济发展所需化学品，这是发展绿色低碳能源技术的重要途径。CO2电催化转化是一个复杂的多尺度过程，涉及CO2分子吸附与转化、纳米尺度催化剂、微米尺度膜电极以及宏观尺度电解槽。目前的研究主要集中在寻找和改进高性能电催化剂，未来还需要结合各类原位表征手段在以下几个方面展开研究:电极形态演变、反应工艺条件优化、电极/电解质界面演变、传质运输优化、催化剂稳定性提高以及电解质/溶剂效应的影响等。此外，对于未来电催化还原CO2技术的工业化应用，还需要考虑以下几点:确定实际应用目标、评估化学产品经济性和市场供需、扩大CO2电解槽规模、提高电催化剂的长期连续运行稳定性、核算产品分离及原料回收的成本。202320282033I发展方向实现电催化co,育活性、离选择但转化为离附加值产物探索关箧核心技术,达PKOlRR工业化发展需求设计开发嬴住能电催化剂研究催化剂结构与怪能间构效关系选择性调控单一产物生成技术发展结合原位方向表征技术电极;电解质界面演变发展朦位袭征技术设讳优化电极与 电解反应Bl结构监利反应中间体与优化调控电极疏水性和催化剂表阚变化反应已结构结合理论计算 福示反应机理电极形态演变梃高电极稳定性和能效率催化剂律定性提高反应工艺条件优化扩大Col电解槽的规模提离电催化剂长期运行程定性电解质/溶剂效应传段运*优化确定实际应用目标评估化学产品的经济性和市场供款核算产品分离和过IH的C()2原料气以及电解液的回收成本工业化应用 发展需求图1.2.9"面向二氧化碳转化利用的高效电催化剂与反应体系”工程研究前沿的发展路线(3)非二氧化碳温室气体减排与资源化非二氧化碳温室气体在大气中的浓度虽远低于二氧化碳，但其全球增温潜能值(globalwarmingpotential,GWP)却远高于二氧化碳。目前已在非二氧化碳温室气体资源化利用方面进行了一些探索：甲烷可在捕集后转化为合成气，用于生产合成燃料和化学品，如合成天然气、合成油、合成塑料等，将废气转化为更高附加值的产品；通过吸收、吸附、催化还原等方式从工业过程或废水处理中捕集氧化亚氮，并催化转化为硝酸盐，用作农业肥料或用于生产苯乙烯等；通过催化全氟碳化物产生分解产物一一氟化氢，用作化工基础产品等。非二氧化碳温室气体的减排与资源化利用对推动减污降碳、大气复合污染治理具有重要意义，也是未来环境科学与工程研究的前沿热点之一。(4)低碳及零碳燃料发动机技术低碳及零碳燃料发动机技术是指通过采用相对含碳量更低或者不含碳(零碳)的新型燃料部分或全部替代含碳量较高的传统汽油、柴油或其他燃料，进而从源头降低发动机单位功率输出的二氧化碳排放的碳减排技术，涉及动力工程及工程热物理、能源科学与技术、化学与化学工程、交通运输工程、材料科学与工程等多学科的交叉融合。相关研究主要包括不同类别低碳及零碳燃料的合成制备、安全车载储存及供给、新型高效清洁燃烧模式及控制、全生命周期碳排放分析优化等方向。目前获得广泛关注和较为深入研究的发动机低碳及零碳燃料包括天然气，通过生物质制取的甲醇、乙醇、二甲醛和生物柴油，通过可再生电力能源制取的氢气、氨气及电力合成液体燃料等。在技术层面上，发动机低碳及零碳燃料近年研发进展迅速，已有部分企业与研究院所开发包括零碳氢气和氨气发动机在内的工程及原理样机。未来将进一步研究相关燃料在发动机中高热效率、近零污染物排放的先进燃烧技术和尾气后处理新技术，同时随着可再生电力、生物燃料及绿氢绿氨高效低成本制备等