出品：科普中國

作者：劉煜超（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

霓虹浸染的夏夜里，燒烤架上騰起的熱浪裹挾著碳酸飲料氣泡破裂的細(xì)響。玻璃杯壁上，無數(shù)透明的小氣泡正上演著一場微型遷徙——它們從各種顏色的液體中掙脫，在杯口綻開的瞬間，將禁錮已久的二氧化碳分子送還大氣。

這些分子從化工廠開啟它們的奇幻漂流，此刻正以食品級二氧化碳的身份完成著生命周期的重要轉(zhuǎn)折。從工業(yè)管道到易拉罐的密閉空間，從人類的舌尖到重歸天地，每個分子都攜帶著人類馴服溫室氣體二氧化碳的原始密碼。而那些尚未被鎖定的二氧化碳，仍在夜風(fēng)中舒展身姿，宛如蟄伏的種子，靜候著下一輪科技革命的喚醒。

碳酸飲料在傾倒時釋放出大量氣泡

（圖片來源：veer圖庫）

在化學(xué)家的眼中，二氧化碳不過是碳氧雙鍵構(gòu)建的簡單分子：一個碳原子通過兩對共用電子與兩個氧原子緊密聯(lián)結(jié)，這種看似平凡的結(jié)構(gòu)，卻讓它成為了地球生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵介質(zhì)。

二氧化碳分子的比例模型

（圖片來源：veer圖庫）

然而，當(dāng)人類將二氧化碳標(biāo)注為“溫室效應(yīng)元兇”時，往往忽略了它在工業(yè)文明中還有另一重身份。從碳酸飲料中的壓力載體到冷鏈運(yùn)輸?shù)闹评浣橘|(zhì)，從焊接保護(hù)氣到滅火材料，這些穿梭在化工生產(chǎn)管線中的二氧化碳分子，正在被現(xiàn)代科技賦予復(fù)雜的角色轉(zhuǎn)換。

追溯工業(yè)二氧化碳的誕生之處

盡管人類活動導(dǎo)致排向大氣的二氧化碳量巨大，但并非所有氣源都具備工業(yè)回收價值，它必須滿足兩個關(guān)鍵指標(biāo)：達(dá)到一定濃度以確保捕集成本是經(jīng)濟(jì)上可行的，且具備穩(wěn)定可獲取性。當(dāng)前規(guī)模化應(yīng)用的富集二氧化碳主要有兩個來源，一個是地質(zhì)型碳庫（天然二氧化碳），另一個是工業(yè)副產(chǎn)氣源。

天然二氧化碳?xì)獠兀ǖ刭|(zhì)學(xué)和油氣勘探中的專業(yè)術(shù)語，是指地下巖石中自然形成的、具有經(jīng)濟(jì)價值的氣體聚集單元）主要賦存于特定的地質(zhì)構(gòu)造中。這些高濃度二氧化碳的形成涉及兩類地球化學(xué)機(jī)制：有機(jī)成因（有機(jī)質(zhì)的熱演化）與無機(jī)成因（無機(jī)礦物的化學(xué)作用）。受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動驅(qū)動，深部生成的二氧化碳在地?zé)峄顒印鄬踊顒雍蛶r漿活動等作用下，最終在適宜圈閉中富集成藏。

二氧化碳?xì)馓镄纬傻氖疽鈭D

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

工業(yè)生產(chǎn)過程中持續(xù)釋放的二氧化碳副產(chǎn)物，構(gòu)成了二氧化碳資源化利用的另一重要來源。從與化肥密切相關(guān)的合成氨工業(yè)，到以酒精為原料的發(fā)酵過程，再到建筑行業(yè)離不開的石灰生產(chǎn)，各式各類的工業(yè)場景中，不同濃度的二氧化碳伴隨主產(chǎn)物同步生成。這類工業(yè)尾氣的碳捕集優(yōu)勢在于：既可利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施實現(xiàn)規(guī)模化回收，又兼具減排效益與資源化經(jīng)濟(jì)性。

二氧化碳回收工藝流程圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

被我們吃進(jìn)嘴里的二氧化碳有哪些？

作為基礎(chǔ)化工原料，二氧化碳的應(yīng)用場景橫跨食品加工、冶金工業(yè)、石油開采、農(nóng)業(yè)保鮮等關(guān)鍵領(lǐng)域，深度滲透于現(xiàn)代生活的基礎(chǔ)架構(gòu)。

就拿我們熟悉的飲料工業(yè)來說，例如碳酸飲料，都離不開二氧化碳的添加。近年來，碳酸飲料的品類也逐漸擴(kuò)展，新興的無糖氣泡水也開始紛紛上架。低糖和碳酸飲料的特殊風(fēng)味進(jìn)行融合，開辟出了新的飲品賽道，占據(jù)了可觀的市場份額，手機(jī)前的你是否對此也有不小的貢獻(xiàn)呢？

除了飲品，二氧化碳在食品工業(yè)方面的應(yīng)用同樣十分廣泛。當(dāng)它以氣態(tài)面目示人時，可以用于調(diào)節(jié)果蔬貯藏的氣體環(huán)境，能夠大幅降低果蔬的貯藏?fù)p失，起到保鮮作用；當(dāng)它被制為固體時，被稱為“干冰”，是一種比冰更好的制冷劑，常被用于食品的冷藏和冷凍。

超市用霧化水或食品級二氧化碳為蔬菜保鮮

（圖片來源：veer圖庫）

焊接與化工領(lǐng)域也有二氧化碳的身影

二氧化碳在工業(yè)生產(chǎn)中也可謂大顯身手，其中最常見的用途之一就是充當(dāng)焊接保護(hù)氣。在焊接過程中，高溫熔化的金屬極易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，而二氧化碳就像一位忠誠的衛(wèi)士，在焊接點(diǎn)周圍形成保護(hù)屏障，有效隔絕氧氣，防止金屬氧化（這項技術(shù)被簡稱為“二保焊”）。作為我國早年重點(diǎn)推廣的焊接技術(shù)，二保焊憑借其優(yōu)異的保護(hù)效果，如今已成為船舶制造、汽車生產(chǎn)、集裝箱加工以及各類金屬結(jié)構(gòu)件焊接中不可或缺的工藝。

在化工領(lǐng)域，二氧化碳更展現(xiàn)出其獨(dú)特的原料價值。在無機(jī)化工中，二氧化碳是制備碳酸鹽系列重要化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料。而在有機(jī)化工領(lǐng)域，二氧化碳的應(yīng)用前景更為廣闊——作為理想的碳源，它正為構(gòu)建有機(jī)分子提供全新的綠色路徑。

化學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出兩條主要轉(zhuǎn)化路線：其一，將二氧化碳通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為一氧化碳，進(jìn)而參與各類羰基化反應(yīng)（羰基是有機(jī)物中的一類重要結(jié)構(gòu)，羰基化反應(yīng)是指利用一氧化碳等羰基源，合成含有羰基的功能分子，如尼龍等合成纖維的前體分子）；其二，直接以二氧化碳為原料，通過催化轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品。其中，催化加氫技術(shù)尤為成熟，通過調(diào)控催化劑和反應(yīng)條件，可精準(zhǔn)制備甲烷、甲醇、二甲醚等不同產(chǎn)物，展現(xiàn)了二氧化碳轉(zhuǎn)化的巨大潛力。

二氧化碳廣泛的工業(yè)用途

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]）

“碳”索未來：二氧化碳的創(chuàng)新轉(zhuǎn)化之路還在延伸

正如前文所述，科學(xué)家們始終將二氧化碳的創(chuàng)新轉(zhuǎn)化作為重要研究方向。**除用于合成大宗化工產(chǎn)品外，研究人員正積極探索以二氧化碳作為“C1合成子”制備各類精細(xì)化學(xué)品的新路徑。**在這一前沿領(lǐng)域，我國科研團(tuán)隊持續(xù)取得突破性進(jìn)展，為推動該領(lǐng)域發(fā)展貢獻(xiàn)了重要的中國智慧。

近年來，四川大學(xué)研究團(tuán)隊在二氧化碳活化與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得重要突破。團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出“CO?= CO + [O]”活化策略，通過二氧化碳直接替代傳統(tǒng)CO/氧化劑體系參與羰基化反應(yīng)，不僅避免了二氧化碳預(yù)還原的繁瑣步驟，還拓展了羰基化產(chǎn)物來源的多樣性。更為重要的是，團(tuán)隊開發(fā)了一系列新的過渡金屬催化體系，并創(chuàng)新性地引入光或電協(xié)同催化技術(shù)，激活了二氧化碳分子，為不飽和烴類、鹵代烴、亞胺等化合物的直接羧基化反應(yīng)提供了全新路徑。

二氧化碳與不飽和烴、有機(jī)鹵化物及亞胺等底物的還原羧化反應(yīng)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[8]）

正是有機(jī)合成化學(xué)家的魔術(shù)之手，讓這看似簡單的二氧化碳分子煥發(fā)出新的生命力——在不同催化體系的精準(zhǔn)調(diào)控下，它們與多樣底物翩翩共舞，最終蛻變?yōu)橐幌盗懈吒郊又档木?xì)化學(xué)品。

談及二氧化碳的創(chuàng)新轉(zhuǎn)化，人們自然還會想到一種理想路徑：在室溫條件下、以極低的能耗實現(xiàn)高效利用。事實上，這一過程早已在地球的每一個角落持續(xù)進(jìn)行——那就是光合作用。小小的二氧化碳分子被植物、藍(lán)藻等生物吸收，與水分子共同參與一系列精妙復(fù)雜的生化反應(yīng)，最終產(chǎn)出氧氣和糖類。在室溫下依靠太陽光生成可儲能的糖類化合物，這無疑是人類目前所知最為高效、最為溫和的二氧化碳利用機(jī)制。它是大自然數(shù)億年演化的結(jié)晶，也堪稱我們最值得學(xué)習(xí)的“老師”。

植物光合作用簡易示意圖

（圖片來源：作者使用AI輔助生成）

受自然界光合作用的啟發(fā)，經(jīng)過科研人員的持續(xù)攻關(guān)，2021年我國在利用二氧化碳人工合成淀粉領(lǐng)域取得重大突破。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所創(chuàng)新性地采用二氧化碳和氫氣為原料，參考生物體內(nèi)的糖代謝途徑，構(gòu)建了多模塊協(xié)同催化體系（包含化學(xué)催化和生物催化模塊），僅需11步反應(yīng)即可完成從二氧化碳到淀粉的全合成。這一突破性成果使淀粉合成效率達(dá)到玉米作物的8.5倍，標(biāo)志著人類在碳固定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從仿生學(xué)習(xí)到超越自然的跨越。

人工淀粉合成途徑的設(shè)計和模塊組裝

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[9]）

在國家“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，我國對二氧化碳資源化利用的科研投入持續(xù)加碼。從傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用到高附加值精細(xì)化學(xué)品合成，再到人工淀粉的突破性制備，二氧化碳創(chuàng)新轉(zhuǎn)化的技術(shù)版圖正在快速擴(kuò)展。

展望未來，隨著催化科學(xué)、合成生物學(xué)等前沿領(lǐng)域的交叉融合，曾被視作“氣候公敵”的二氧化碳分子，必將綻放出更加絢麗的科技之光，為人類可持續(xù)發(fā)展提供全新的碳基解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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來源: 中國科普博覽

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