当前，co2回收利用已成为“双碳”背景下最受关注的减碳途径之一。北京光合新能科技有限公司（以下简称“光合新能”）率先将等离激元技术应用到co2催化领域，并致力推动该技术的工业化应用。采用等离激元技术利用co2有哪些优势？该技术获得了哪些推广应用？如何更经济性地利用co2？北京光合新能科技有限公司首席信息官王萌近日接受了本刊记者的采访。
三大主流技术尚未规模化应用
【ccn】在“双碳”背景下，co2利用已成为减碳的重要途径之一，目前该领域的主流技术有哪些？分别有何特点？
【王萌】主要有以下三种方法：
一是电化学还原法。即通过阴极和阳极在电解溶液中通电，电极通过离子交换膜分离。电催化剂必须具有高度选择性和活性，以降低转化过程所需的活化能。co2的电化学还原可产生各种高经济价值的产品，其包括氢气（h2）和甲酸（hcooh）、乙醇（ch3ch2oh）等。电化学方法因其简单的装置、极低的反应条件和较高的产物选择性，在研发领域一直是热点方向。但从经济角度考量，电化学法需要大量的电力支持，高昂的运营成本使相关项目难以实现商业盈利。此外，电力为二次能源，目前全球使用煤炭发电的比例仍高于30%，如果输入电力由化石能源产生，使用电化学法消耗的co2还抵不过其电力来源的碳排放量；如果输入电力来自于可再生能源（如光伏、风电），则会进一步推高其反应成本，使得项目持续亏损运营。
二是热路径。即借助高温将捕获的co2转化为各种高价值化工原料的技术。包括逆水煤气反应（rwgs），该反应是先将co2与h2反应生成包含co和h2o的合成气，再将合成气进一步转化为碳氢化合物和化工原料等。合成气还可以通过甲烷湿法重整和干法重整来获得。三重重整技术便是将湿法和干法这两种技术和甲烷部分氧化过程相结合。这种方法可以更好地控制co和h2的比例，用来生成不同的碳氢化合物。
合成尿素是另一种co2利用路径。首先是将液氨和气态的co2反应生成氨基甲酸酯，而后氨基甲酸酯分解生成尿素和水。合成的尿素可用于肥料和聚合物的生产。
目前，热路径利用co2的技术大多可以获得较高的产量，而且产品为各种化工原料。但热效应催化需要极其苛刻的高温高压反应条件，对设备材料要求高，使其工业化进程缓慢。而且当获得高温的能量主要来自太阳光聚焦时，其能量（阳光）使用效率极低，通常不足1%。
三是生物催化法。植物通过光合作用将co2和水在太阳光的作用下自然转化为有机化合物实现自然界中的固碳过程。生物催化便是借鉴光合作用，将生物质合成燃料的能力用于co2的转化，利用技术手段使固碳过程在植物体外得以实现。目前主要研究领域包括使用藻类代谢的基因工程用于提高石油产量。例如，蓝藻可直接利用co2产生不同化工产品，例如乙醇、异丁醇、异戊二烯、乙烯和烷烃等。生物催化技术有很好的选择性，反应条件相对于热路径来说也非常温和，但这种技术最大的弊端是成本较高，因为需要周期性更换蓝藻等微生物。同时，必须使用特殊的生物反应器也是该技术发展的一大限制，这使其商业回报未能达到预期。美国joule unlimited公司就曾利用蓝藻技术将co2转化为燃料，但该公司因未能继续筹措到资金，已于2017年正式关闭。
【ccn】目前这些技术的应用情况如何？
【王萌】目前该领域的主流技术路径无一例外地难以在能量利用效率和工艺成本之间取得平衡，二十年来全球建立的许多相关示范项目都无法解决生产成本远高于产物价值的经济可行性问题。电化学路径、热路径普遍依靠高温高压等高耗能反应条件，或电力、氢气等高密度二次能源来分解、处理co2，这使得co2转化后的产物价值远低于驱动反应所需要的能源消耗；生物催化路径则受限于蓝藻等微生物的周期性培育和复杂反应装置。因此，上述技术目前都无法得到大规模推广和应用。
等离激元路径具有多重优势
【ccn】与其他co2利用技术路径相比，等离激元催化法利用co2有哪些优势？
【王萌】相比上述其他co2利用技术路径，等离激元催化的核心优势是反应供能可以仅依靠阳光或中低温工业余热，无需电力或氢气等高密度二次能源驱动，能量转化效率高达20%。同时，由于是单步反应且条件温和，反应撬装工艺要求简单，可实现模块化生产，并根据操作场地、需求产能灵活扩展布局。上述核心优势使得等离激元co2利用技术可以以不高于甚至低于传统化石能源开采的成本大规模人工合成碳中和油气，在实现商业盈利的同时解决碳中和和能源安全问题。
等离激元催化技术的主要特点包括：
一是可以高效生产。在等离激元催化剂表面，可以在常温常压的宏观环境下每秒进行十万亿次如下反应：一步打开co2和水分子中的化学键，将分解的元素的组成碳、氢骨架形成烷烃或烯烃有机产物，及副产物氧气。其转换效率超过自然界的植物。
二是模块化复制大规模生产。由于反应条件温和，使得该技术不同于传统化工，放大灵活，可按模块化安装推广。只需利用荒地、工业废气/或空气中低成本捕集的co2、硬水或非饮用水，模块化复制达到百万千万吨级，适宜在世界很多区域推广。
三是节水零排放。该技术每消耗4吨co2转化成1吨碳氢化合物（碳中和油气产物），只消耗1.5吨水，而且零污染零排放。因此西部地区也适合推广，副产物只有氧气，不会造成生态影响。和造林相比，其耗水量为直接原料消耗，仅为灌溉植被的十分之一。
四是低成本实现零碳迹。该技术为碳捕捉提供了一个新模式，不仅仅捕捉到碳，而且可以将它转化为能量更高、价值更高的油气。和其他传统碳中和路径相比，在更低的成本下实现了碳循环，减小对实体产业和民生的压力。
【ccn】在这方面，公司拥有哪些核心技术？技术推广过程中遇到的最主要阻力是什么？公司如何克服这些阻力？
【王萌】光合新能研发团队已在该领域研究近十五年，在等离激元二氧化碳利用领域走在了世界前列。2009年，团队在世界上首次将等离激元技术应用到co2催化领域。该技术利用纳米金属模拟自然界光合作用，以太阳光或工业废热为能量，经过一步光（热）温和条件下的物理化学反应，激活co2和水的化学键，合成汽油、柴油等长链烷烃组分的液态产物，以及天然气、乙烯等气态产物。其反应推动不需要消耗一次能源，不需要消耗电能，99%的能源来源于废热或自然光照。
近年来，将等离激元应用于co2催化利用开始逐渐得到科学界的广泛关注，是最前沿的科学技术研究领域。但同时，该技术还面临着其他技术路径（虽然不具备经济性但成熟度更高，如电化学路径）的竞争。新技术研发和推广需要大量的资金和产业政策支持，技术的颠覆性和前沿性使得光合新能（相比其他硬科技公司）在这些方面面临更大的挑战。
但我们并不视这些困难为阻力。实现碳中和目标需要超百万亿规模的投资，这些投资需要真正转化为价值，而非持续补贴、不断增加社会成本。只有颠覆性的科技创新和突破才能让绿色技术得以推广。实际上，光合新能在技术推广过程中得到了相关部委、地方政府、企业的大力支持和帮助，其中中国国际经济交流中心成立了绿色技术经济政策课题组帮助光合新能进行政策研究和产业对接，多家央企集团委派技术专家团队与光合新能共同开展技术评估和合作研讨，七台河市政府、黑龙江省政府以及内蒙、陕西、山东等多个项目潜在落地省份均对技术团队筹建属地实验室、落地工业示范产线予以大力支持。
【ccn】目前公司在七台河的示范项目进展情况如何？未来在技术工业化方面有哪些进一步的计划？
【王萌】2019年，光合新能与该技术的产业化平台北京紫顶光合公司、黑龙江鹿山紫顶新能公司合作，开始在大唐集团黑龙江七台河电厂旁侧建立工业化中试试验基地。中试基地一期试验平台项目于2020年10月竣工，11月3日完成工业化前期试验首次试车，开始批量产油产气。2021年7月，该示范基地由中国环境学会鉴定授牌“科技成果创新与传播基地”。基于当前的中试成果以及最新二代单原子级催化剂技术，光合新能下一步拟联合中石化石科院开展技术工艺指标全面测试，联合国家电投中央研究院开展二氧化碳制天然气工艺优化研发，联合宝武集团清能公司开展光合制氢技术研发，并在黑龙江七台河、陕西榆林、内蒙古包头和鄂尔多斯等地开展千吨至万吨级规模示范线建设。
二氧化碳利用需要颠覆性创新
【ccn】您认为国内co2利用技术研发及推广与国外相比处于怎样的水平？您对加大co2利用有哪些建议？
【王萌】目前，科学界利用等离激元技术治理co2，已经成为co2利用、可再生能源领域最前沿和热门的方向。美国南加州大学和杜克大学分别在2011年和2016年跟进了等离激元co2利用领域的研究。2015年，印度国家科技学院利用同类技术将co2和水制成天然气。2016年至2019年，日本国家材料科学院（nims）、荷兰应用科学研究院（tno）、加拿大麦吉尔大学等均开始大力研究等离激元co2利用方向，并将co2和水制成天然气和氢气。在我国，2018年中科院物理所、2019年中国科技大学等先后开始了相关领域的研究，主要集中在原理探究领域。由美国能源部支持的syzygy plasmonics（syzygy等离激元）公司专门研究等离激元低成本制备氢气的工业化路径，2021年4月获得了horizons ventures和挪威能源等2300万美元的投资，准备量产其等离激元技术。2021年日本经济产业省发布了《绿色增长战略》，提出到2030年实现人工光合co2回收制乙烯工业化替代现有30%产量，并保持价格不提高。
光合新能自主研发的等离激元碳中和技术，总共积累数据反应数据超过10万次，全世界范围内率先实现年产吨级工业试验，光热催化能量效率达20%，目前领先美国、日本同类竞争对手3~5年。
地球生命是碳基生命，人类文明是碳基文明，“碳中和”的本质不是忽略碳或消除碳，而是实现碳的循环利用。研究和推动co2利用是实现“碳中和”的必经之路。在现有技术路径只能依靠政策性补贴实现减碳任务的情况下，这条路需要颠覆性的技术创新和突破才有可能走通。在国家大力提倡科技创新的背景下，希望有更多科学家和社会企业积极投入这一领域的创新工作，尤其是对这一领域的颠覆性创新予以更多的科学审视、关注扶持和耐心与宽容。