二氧化碳化学利用处于产业化破晓前夜

[中国石化报 2026-04-22]

□四川大学化学工程学院副院长、国家烟气脱硫工程技术中心副主任 岳海荣

在全球碳中和浪潮的推动下，二氧化碳的化学利用已从一项前沿的科学技术，迅速演变为一场深刻的产业变革。它不仅是实现大规模深度减碳的关键技术路径，更被视为重塑未来碳基工业原料体系、构建循环经济新生态的战略核心。作为长期关注该领域的从业者，我认为当前行业发展已进入从“技术验证”迈向“商业示范与生态构建”的关键转折期，机遇与挑战并存，前景广阔且路径清晰。

当前，二氧化碳化学利用的技术版图呈现多元化、梯次化的发展格局。根据化学反应转化的路径和目标产品，其利用技术主要有三类：一是二氧化碳还原转化制备能源与大宗化学品，该技术旨在将二氧化碳中的碳原子还原，合成市场所需的基础化学品和燃料，是技术开发热度和资本关注度最高的领域；二是非还原路径合成为高附加值化学品，此技术不改变碳的价态，主要通过环加成、酯化等反应，将二氧化碳引入产品分子结构中，其中，以二氧化碳为原料生产碳酸酯产业链是当前产业化程度最高、经济效益最明确的路径之一；三是矿化利用固定于无机材料，该技术通过将二氧化碳与含钙镁的工业固废（钢渣、磷石膏、电石渣）或建材原料反应，生产碳酸盐产品，其最大优势在于无须对尾气中的二氧化碳分离提纯，可直接大规模利用低浓度工业烟气，同时消纳大宗固废，环境协同效益突出。综合来看，我国在二氧化碳化学利用的多个赛道上已建立起从基础研究、关键材料开发、工艺与设备、过程工程放大与示范的完整研发链条，二氧化碳干重整、合成碳酸酯、矿化等技术已完成了工业示范和数万吨级规模化生产，达到了国际领跑水平，为产业化奠定了坚实的技术基础。

尽管技术不断取得突破，但二氧化碳化学利用从示范项目走向大规模产业，仍面临三大核心挑战。首先，经济性仍是首要瓶颈。当前绝大多数二氧化碳化学利用技术的产品成本仍高于传统化石资源路线。技术的生存与发展，短期内严重依赖碳税政策、绿色溢价或特定场景下的资源协同（如利用副产氢、弃电、就地消纳固废）。其次，产业链协同与基础设施缺失。二氧化碳化学利用是一个典型的跨行业系统工程，涉及“碳排放源-捕集-运输-转化-产品市场”的长链条。目前，规模化、低成本的二氧化碳输送管网远未形成，制约了碳源的集输利用。同时，下游绿色化学品市场的接受度、标准认证体系尚不完善，绿色产品价值未能充分体现。再次，技术本身的规模化与长周期验证。许多中试装置的成功尚不能完全证明其在年产十万吨级乃至百万吨级规模下的技术经济可行性。催化剂的超长周期稳定性（大于8000小时）、反应器的大型化工程放大及工艺集成系统的能效优化，都需要在更大型的工业示范中接受检验。

展望未来，二氧化碳化学利用的发展绝非单一技术的胜利，而是一个产业生态的构建过程。其前景将呈现“分层级、分阶段”发展、“区域化、集群化”耦合、“政策驱动”转向“市场与政策双轮驱动”、“材料科学”扩展到“系统集成与智能化”等趋势。二氧化碳化学利用正处于产业化破晓的前夜。它不仅仅是一项减排技术，更是通向“碳中和时代”新型碳基化学工业的桥梁。

当前，我们拥有了多样化的技术工具箱，也看清了横亘在前的经济性与规模化鸿沟。下一步，需要政府、产业界与科研机构形成合力：政府应着力构建稳定的政策预期和基础设施；企业需勇于开展更大规模的工业示范，探索可持续商业模式；科研界则需持续攻关核心瓶颈，并推动跨学科的系统集成创新。

制约二氧化碳化学利用规模化的三重挑战

技术层面：催化效率与工业放大的双重瓶颈

二氧化碳分子的标准吉布斯自由能为-394.38千焦/摩尔，其固有的热力学稳定性与动力学惰性致使其作为原料制备化学品时，须有高能量的输入和有效的催化剂进行活化，是一项极具挑战的任务。

当前，不同二氧化碳催化转化路线均存在技术瓶颈。例如，加氢制甲醇受热力学平衡限制，转化率偏低；合成乙醇、高级醇及烯烃等产品时，涉及碳氧键活化、碳碳键偶联等多步反应，路径复杂，副反应多，导致目标产物选择性低、收率不高。

在二氧化碳电催化制化学品过程中，通常涉及2、4、6、8等多电子转移，会生成一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、甲烷等碳一产物和因碳碳偶联反应生成乙烯、乙醇等碳二产物，并伴随着析氢竞争反应，因此存在产物选择性较低、过电位高等问题。

此外，反应装置仍无法满足工业需求，如电极的耐久性、离子交换膜的性能、催化剂的稳定性等。

总体而言，现有二氧化碳转化催化剂普遍存在的活性、选择性或稳定性不足的问题，制约了其工业放大与应用。

产业与经济层面：高成本与跨行业壁垒双重制约

二氧化碳化学利用在迈向产业化与商业化的进程中，高昂的成本是制约其经济性的核心障碍，并贯穿全产业链。

诸多颇具前景的技术路径（如二氧化碳加氢制甲醇、合成燃料等）均需大量消耗氢气，然而为实现真正的碳减排效益，该氢气来源须为“绿氢”，但当前电解水制绿氢的成本依然昂贵。

例如，在二氧化碳加氢制甲醇反应中，绿氢成本在整个甲醇生产成本中占比约为70%，当前15~18元/千克的绿氢价格使甲醇成本在4500~5500元/吨，远超化石路线的甲醇生产成本（约2000元/吨）。

此外，跨行业协同壁垒与基础设施不完善阻碍了规模化产业生态的形成。二氧化碳资源化利用本质是构建一个连接“排放源”与“转化端”的跨行业循环体系，涉及电力、钢铁、化工等多个领域的紧密协作。目前，行业间缺乏有效的碳流整合机制与商业合作模式，加之专用的二氧化碳输送管网等关键基础设施覆盖不足，导致碳源难以实现规模化、经济化的跨区域调配与利用。

认证、标准与政策层面：规则缺失与激励不足

针对二氧化碳化学利用，国内虽已有一些技术标准和规范，但整体上还不够完善，特别是某些细分领域和关键环节上，缺乏具体、明确的技术标准和规范来指导实践。

市场认证方面，缺乏针对二氧化碳基化工产品的强制性或广泛认可的低碳认证体系，产品的环境价值难以获得市场认可。

政策层面的支撑不足同样制约产业发展。例如，欧盟通过FuelEU Maritime（欧盟海运燃料条例）法规强制要求船舶燃料的碳排放强度逐年降低，较2020年基准值，2025年需下降2%，2030年下降6%，2050年下降80%；ReFuelEU Aviation（可持续航空燃料强制法规）规定航空燃料中可持续燃料占比从2025年2%提升至2035年20%。我国现行政策仍以鼓励性为主，缺乏强制性替代比例要求，难以形成稳定的市场需求。经济激励方面，碳定价机制覆盖有限且价格偏低，当前欧盟碳市场碳价70~100欧元/吨，而我国碳市场60~100元/吨的碳价与每吨数百元的捕集成本严重倒挂，无法形成有效激励。