二氧化碳变“石油”又获科技突破，中国科学家厉害了

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二氧化碳变“石油”又获科技突破，中国科学家厉害了

我国科学家成功将二氧化碳变成天然气，能源危机能得到解决吗?

前沿｜向地质深层注入二氧化碳，会产生燃料

大突破！美国使二氧化碳变汽油效率提高1000倍，地球变暖有救了？

一、二氧化碳变“石油”又获科技突破，中国科学家厉害了

中国科学家不仅实现了CO2变汽油，也实现了CO2变塑料。

文 | 石油Link（更多深度内容，请关注公众号：石油Link）

将二氧化碳（CO2）直接转化成汽油、塑料等石油制品，这听起来似乎很不可思议，但中国的科学家们再一次做到了。

近日，中科院长春应化所的王献红团队对外表示，其实现了CO2基生物降解塑料的工业化生产。这意味着，可以用CO2而非石油做原料规模化生产塑料了。

这是继2017年中国科学家在CO2直接变汽油技术上突破后，CO2利用技术的又一次突破。

众所周知，塑料的生产主要以石油作为原料。中科院此番技术突破，将会对石油行业产生何等影响呢？

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传统石化行业的新挑战

值得注意的是，中科院长春应化所此番实现的CO2变塑料，不仅仅只停留在理论研究或实验阶段，而是实现了工业化量产。

目前，其年生产能力已达到了5万吨/年，这些塑料可用于生产塑料袋、快递包装、农用地膜等。

用该种塑料生产的农用地膜，已经在全国5000亩农田开展试验应用，目前农田实现效果良好。

而且相比于传统塑料，中科院长春应化所研制这种CO2基塑料，可以实现生物降解，具有更好的环保性能。

由于传统塑料难于降解，其引发的环境问题越来越受到关注。这也使得生物降解塑料具备了独特的市场优势。

据了解，中科院长春应化所自1997年起，就已经开始布局CO2基生物降解材料的应用基础研究。

中科院长春应化所通过开展多发技术合作和反复试验，创新性地发展了稀土三元催化体系，实现了二氧化碳的快速活化，发展了本体共聚合技术和低能耗后处理技术，突破了二氧化碳基塑料工业化生产的传质、传热等系列关键技术。

最终于2014年，中科院长春应化所完成了性能优良的高分子量二氧化碳基生物降解塑料工业化工艺设计。

根据统计，目前全球每年消耗掉的石油当中，约有5%被用于制造塑料，约合2.2亿吨石油，这一数字和中国的石油年产量相当。

可以看出来，非石油制塑料产业的发展，对石油产业的潜在影响力是非常大的。

“我们会加大力度进行市场化推广，如果工业化规模达到年产30万吨，成本会进一步降低。”王献红说。

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石油公司的业务新窗口

除了CO2变塑料，2017年中国科学家在CO2变汽油技术上，也取得了重大突破，引发广泛关注。

2017年5月2日，英国自然通讯杂志（NatureCommunications）上发布了一篇文章——《将CO2直接转化成汽油》。

该篇论文是由中国科学院大连化学物理研究所碳资源小分子与氢能利用创新特区孙剑、葛庆杰研究员团队发表。该篇文章被审稿人评价为“CO2催化转化领域的突破性进展”。

据悉，该团队通过设计一种新型多功能复合催化剂，成功实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油。而该催化剂还具有较好的稳定性，可连续稳定运转1000小时以上，所以有良好的工业应用潜能。

CO2变汽油、变塑料技术的出现，对于石油行业未来影响究竟有多大呢？

尽管这些石油替代技术的发展，对石油业本身而言形成一定抑制，但从石油公司运营角度而言，却打开了新的发展渠道。

随着全球能源消费逐步转向低碳，石油公司转型成综合能源公司成为趋势，各路石油巨头都在争先布局新能源、新材料业务。

在中国国内，中石化、中石油等，都加速了在新产业领域的投资和布局。

例如在今年9月24日，中国石油下属的中油资产管理有限公司，就同油气行业气候倡议组织（OGCI）下设的气候投资基金（Climate Investments，CI）签署协议，成立了气候投资中国基金。

据介绍，该基金主要投资能够减少温室气体（GHG）排放的新技术和新方案，并推动这些技术的示范推广。

中石化方面，该公司在今年7月注资100亿元，成了中国石化资本公司。而这家新公司的业务，将重点投资新能源、新材料、节能环保以及上下游产业链的智能制造等战略新兴产业。

国际石油公司方面，目前壳牌石油、道达尔、挪威石油公司等，每年会投入不少资金用于CO2的捕集和存储项目。将CO2加工成可降解塑料封存，也不失为一种有潜力的选择。

从这些方面来，石油公司的未来战略，都有望和这些新科技产生很好的结合。

注：部分内容参考《新华社》《如何将二氧化碳变“废”为“宝”》

一、我国科学家成功将二氧化碳变成天然气，能源危机能得到解决吗?

空气中含有巨量的二氧化碳（CO2），而且随着人类对化石燃料的应用，空气中的二氧化碳含量逐年升高，因此也带来了温室效应。

如果能将二氧化碳转化成碳氢化合物燃料，将有助于减少人类对化石燃料的依赖，使用太阳光驱动的光催化剂可以将二氧化碳还原成其他产物，然而，不幸的是，二氧化碳的分子结构非常稳定，其碳氧键解离能高达C=O解离能高达750kJ/mol，因此二氧化碳的光还原非常困难和复杂。

2019年7月22日，中国科学技术大学孙永福和谢毅团队在 Nature 子刊 Nature Energy 杂志（IF=54）发表了题为：Selective visible-light-driven photocatalytic CO2 reduction to CH4 mediated by atomically thin CuIn5S8 layers 的研究论文。

该研究开发了单原子层薄的的CuIn5S8层催化剂，成功将二氧化碳（CO2）光催化还原生产甲烷（CH4），且催化产物产物单一性接近100%。

CO2光还原通常会产生大量副产物，因此CO2光还原的一个重大挑战是在保持高转换效率的同时实现对单一产物的选择性。所以通过仔细的催化剂设计控制在催化剂表面上形成的反应中间体是至关重要的。

为了进一步优化研究模型，研究人员构建了原子级薄的二维（2D）层，以最大化双金属位点的数量（因为每单位质量的2D层的表面积更大）。

在这项研究中，研究人员设计了，单原子层薄的的CuIn5S8层，其中含有富含电荷的Cu-In双重位点，这对于从二氧化碳（CO2）光催化还原生产甲烷（CH4）具有高度选择性。因为Cu-In双位点形成高度稳定的Cu-C-O-In中间体是决定选择性的关键特征。

稳定的反应中间体的形成有利于随后的质子化形成烃物质而不是CO分子的产生，因此最终赋予所需的反应选择性。

这种配置不仅降低了整体解离能障碍，而且还将吸收质子化步骤转化为放热反应过程，从而改变反应途径形成甲烷CH4而不是一氧化碳CO。

单原子层CuIn5S8对可见光驱动的CO2还原为CH4的选择性接近100％，速率达到8.7μmol/g/h。

这一技术发展成熟后，将为节能减排、缓解全球变暖，以及减少人类对化石能源的依赖等找到新的解决方式。

二、前沿｜向地质深层注入二氧化碳，会产生燃料

摘要： 地底下有一种神秘的古菌，力量无穷，可以在适当的情境下，把很多物质分解。这种新型产甲烷古菌有可能作为一种全新的合成生物学底盘细胞，具有广泛的应用前景。

地底下到底在发生什么，对于人类来说，还有很多未解之谜。

最近，中国科学家和英国科学家，几乎同时发现一个惊人秘密：即在地球深层，有一种神秘的古微生物，可以在地底下把二氧化碳和石油等碳烃物质，降解为甲烷。

来自中国农业农村部沼气科学研究所的专家发现，一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

而来自英国牛津大学的专家发现，把二氧化碳注入地底下，通过产甲烷微生物作用，可将一部分二氧化碳转化为甲烷。

我们知道，甲烷是一种比二氧化碳更强的温室气体，但由于其高度可燃性，通常是作为燃料（天然气及沼气等的主要成分）为我们日常生活所用。并且甲烷也可作为化工原料，广泛应用于氢气、一氧化碳、乙炔及甲醛等的制造。

2021年12月23日，《自然》杂志在线同时刊登了这两个发现成果。两者的基本原理都差不多，但是在不同的应用场景中发现。这些成果在实际生产中有广泛用途。

01 英国科学家：地下注入二氧化碳产生了甲烷

在过去的50年里，大气中的二氧化碳(CO₂)水平显著增加，导致全球气温升高和地球气候的突然变化。碳捕获和封存(CCS)是科学家希望在应对气候危机方面发挥重要作用的新技术之一。

CCS包括从工业过程排放的气体中捕获CO₂，或者从发电过程中燃烧化石燃料中捕获CO₂，然后将其储存在地下的地质构造中。如果我们想要从碳氢化合物系统中“清洁燃烧”生产氢气，CCS也将是关键。

英国政府最近选择了四个地点来开发数十亿英镑的CCS项目，这是英国到2030年每年从重工业中削减2000万至3000万吨CO₂计划的一部分。其他国家也做出了类似的碳减排承诺。

二氧化碳驱油法(CO₂-EOR)是作为提高石油开采率的一种手段，CO₂ 历史 上曾被注入到许多枯竭的碳氢化合物油藏中。这提供了一个独特的机会来评估注入碳在工程时间尺度上的（生物）地球化学行为。

“CCS将是我们避免气候变化斗争中的关键工具。除了计算机建模和基于实验室的实验，了解CCS在实践中是如何工作的，对于提供安全可靠的CO₂地质封存是至关重要的。”牛津大学地球科学系Rebecca Tyne博士说。

Rebecca Tyne博士是这个项目合作团队人员之一，也是《自然》杂志论文的作者。她和牛津大学地球科学系Chris Ballentine教授带领一个国际合作者团队调查了美国路易斯安那州一个CO₂-EOR驱油油田中CO₂的变化。

他们比较了驱油开采油田中CO₂与相邻油田的(生物)地球化学组成。相邻油田从未进行过CO₂采油。

数据显示，在驱油开采的油田中，CO₂提高采收率后留下的高达74%的二氧化碳溶解在地下水中。出人意料的是，通过生产甲烷微生物作用，注入的CO₂中高达13-19%转化成了甲烷。

“与CO₂相比，甲烷的溶解性、可压缩性和反应性更低，因此，如果能产生甲烷，我们可以安全地向这些地点注CO₂。现在这个过程已经被确定，我们可以在未来的CCS选址中考虑到这一点。” Chris Ballentine教授说。

此外，作者认为，这一过程也发生在其他富含CO₂的天然气田和驱油开采油田中。温度是一个关键的考虑因素，许多 CCS 地质目标对于微生物的运行来说太深太热。然而，如果CO₂从较深的热系统泄漏到类似的较浅、较冷的地质结构中，那里存在微生物，CO₂转化为甲烷这一过程可能会发生。

这项研究对确定未来的CCS目标、建立安全的基线条件和长期监测计划至关重要，而这对低风险、长期碳储存非常重要。

02 中国科学家：神秘古菌以“一己之力”生产甲烷

传统原油开采技术，难以驱动地下油藏全部原油的运移，仍然有过半原油开采不出来。科学家相信，能在油藏环境中存活的厌氧微生物有望成为人类的帮手。利用沼气发酵原理，将液态原油降解成气态甲烷，形成油气共采，是科学家 探索 的一条道路。

据《中国科学报》报道，来自中国农业农村部沼气科学研究所（下称“沼科所”）能源微生物创新团队，与深圳大学、德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所、中国石化微生物采油重点实验室等单位研究人员合作，发现了一种来自油藏的新型产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。

原油的主要成分是由几十个碳链形成的比较复杂的碳氢化合物。

早在上世纪末，德国科学家首次在《自然》报道了石油烃可以被厌氧微生物降解转化为甲烷。但是，这种生物降解过程与传统的沼气发酵类似，需要多种不同类型的细菌和古菌，通过互营代谢来完成。

论文共同通讯作者、深圳大学教授李猛告诉《中国科学报》，互营代谢是指有机质分解降解产生甲烷的时候，需要细菌和产甲烷古菌两种不同类型的微生物通过彼此依赖、互不可分的方式合作。

“在缺氧环境下，有机质被降解产生甲烷的过程俗称沼气发酵。”论文作者、沼科所研究员白丽萍说，过去的观点认为，产甲烷古菌仅能通过乙酸发酵、CO₂还原、甲基裂解和氧甲基转化等4条途径产生甲烷。其所能利用的底物非常简单，主要是一碳或者二碳化合物。

“以前的教科书告诉我们，对于由几十个碳组成的烷烃和烷基烃这种复杂有机物，产甲烷古菌是不可能直接‘吃’掉它们的。之前，也没有微生物直接降解石油烃生成甲烷或者CO₂的研究报道。”论文通讯作者、沼科所研究员承磊说。

论文第一作者、沼科所周卓介绍，厌氧微生物是地球上数量最多、物种最丰富的生物资源。但由于技术原因，目前分离鉴定的厌氧微生物物种不足0.1%，大部分还属于“微生物暗物质”。科学家知道其存在，但是不知道它们是一种什么样的存在。

产甲烷古菌就是一种独特的厌氧微生物，对氧气敏感，通常在空气中暴露几分钟就会死亡。它之所以被称为“古菌”，是因为这种独特的生命早在35亿年前就存在于地球上。它拥有很多头衔：地球上最早的生命形式之一、全球大气甲烷排放主要贡献者、沼气发酵过程中的关键功能微生物。

“找到这种新的产甲烷古菌是一个意外的发现。”承磊说，其团队从2005年开始进行厌氧烃降解产甲烷的研究，但工作开展起来非常难。

“第五种甲烷产生途径的提出，完善了我们 探索 全球碳素生物地球化学循环的认知。”承磊说。

论文作者、中国石化微生物采油重点实验室教授汪卫东告诉《中国科学报》，这也说明在油藏条件下，还有丰富的未知微生物存在，它们有着不同的功能。其中一些微生物以不同的方式降解原油，将其转化成甲烷或天然气。

03 多样化的应用前景

传统的原油开采技术，主要是应用化学物质或水压力来驱动地下深层的原油运移。“这种利用物理和化学方法采油的技术，导致超过一半的原油残留在地下油藏，难以被开采利用。”汪卫东说，基于这项研究成果，将有可能利用地下厌氧微生物的作用，把液态的原油降解变成气态的甲烷，形成油气共采，最终达到较高的原油开采利用率。这也可延长油藏的开发寿命，有望让老油田“复活”。

沼科所所长王登山认为，这项由“0”到“1”的基础研究认知，为人们开发“地下沼气工程”奠定了理论基础。

“地下的油不用抽出来，可以直接把油变成气，让气体出来，进行甲烷的收集。这相当于我们把沼气池修在了几千米的地下油藏中，形成平方公里尺度的巨大‘地下沼气池’。”王登山说，因此，基于该项成果的技术攻关一旦突破，对枯竭油藏进行油气共采，增产的油气总量将达到数亿吨，这将为缓解我国能源对外依赖度、保障国家能源安全提供科学支撑。

此外，这种新型产甲烷古菌有可能作为一种全新的合成生物学底盘细胞，具有广泛的应用前景。

参考资料：

[1]中国科学报：神秘古菌以“一己之力”产甲烷

[2

[4

文：综合自《中国科学报》、sciencedaily

三、大突破！美国使二氧化碳变汽油效率提高1000倍，地球变暖有救了？

温室效应，全球变暖，会造成恶劣的气候变化，这已经是一个老生常谈的问题。自工业革命以来，石油作为人类目前应用最为广泛的资源，其重要性不言而喻。

不仅如此，石油向来也是许多工业用品制造中所需的原材料，比如塑料尼龙等。因此人类最担心的就是地球上的石油资源被开采殆尽，出现新的能源危机。

更重要的是，伴随着石油的大量使用而排放出的温室气体——二氧化碳，也为地球的环境造成了难以弥补的破坏。据说近年来席卷北半球的寒潮、高温、暴雪、台风等极端天气，都与全球变暖脱不了干系。

而根据当前的统计数据显示，在2021年，大气中平均二氧化碳（CO2）浓度达到了百万分之414，比工业革命之前高出50％。可想而知，遏制碳排放早已是一个迫在眉睫的问题。

目前，世界各国都在努力于本世纪中叶实现碳中和，同时期待新技术的出现，来缓解全球变暖的趋势。恰巧，斯坦福大学的化学工程师实现了突破，现已将研究发表于《美国国家科学院院刊》上。

据该团队介绍，他们一直在努力将二氧化碳转化为其他有用的化学品，例如丙烷、丁烷或其他由碳和氢长链组成的碳氢化合物燃料，基本上可以说就是在制造汽油。

但问题在于烃链越长，生产就越困难。并且碳与碳的结合需要热量和巨大的压力，这又使得该过程成本高昂。好在功夫不负有心人，研究人员花费了七年的时间，发现和完善了一种新催化剂，可以增加化学反应中长链碳氢化合物的产量。

上图：二氧化碳（黑色和红色）和氢分子（蓝色）在钌基催化剂的帮助下发生反应。

新催化剂由元素钌（一种属于铂族的稀有过渡金属）组成，涂有一层薄薄的塑料。数据显示，在相同数量的二氧化碳、氢气、催化剂、压力、热量和时间的情况下，该催化剂产生的丁烷，是标准催化剂在最大压力下可以产生的最长碳氢化合物的 1000 倍。

1000 倍啊，这是一个很恐怖的数字！ 而且据研究人员表示，其实验室的反应器想要生产更多用于汽油的长链碳氢化合物，只需要更大的压力即可！他们也确实正在建造一个拥有更高压力的反应器。

同时，为了更有效率地执行这一过程，他们又设想了一个“碳中和循环”，其中，二氧化碳被收集、转化为燃料再次燃烧，由此产生的二氧化碳重新开始循环。

当然，在将二氧化碳变成汽油这一领域，中国也未曾示弱。2017年，中科院大连化物所研究团队，通过设计一种新型多功能复合催化剂，首次实现了二氧化碳直接加氢制取高辛烷值汽油。而且转化效率很高，在当时被同行誉为“二氧化碳催化转化领域的突破性进展”。

而且在实际工业生产条件下，中国设计的催化剂，能有效避免反应中出现甲烷和一氧化碳等小分子化合物，使得主产物液态烃能占到78%，生产出的汽油的苯、烯烃和芳香烃的组成也能满足国五标准。重点是如果实现规模性生产，其转化效率还会进一步提高，且能够在高效产能下，稳定运转1000小时以上。

此外，中国科学家不仅实现了二氧化碳变汽油，也实现了二氧化碳变塑料。据了解，中科院长春应化所自1997年起，就已经开始布局二氧化碳基生物降解材料的应用基础研究，而且早已实现了工业化量产。

每年生产的数万吨塑料可被用于生产塑料袋、快递包装、农用地膜等。而且相比于传统塑料，中科院长春应化所研制的这种二氧化碳基塑料，可以实现生物降解，具有更好的环保性能。

所以说，其实中国早就掌握了将二氧化碳变成汽油的相关技术，并且还能够用二氧化碳合成淀粉，且淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。该技术有望解决人类的粮食安全问题，让更多的人能够吃得饱饭，甚至为奔向宇宙星河奠定基础。

由此可见，这项技术可比合成汽油的难度更高，就连美国都非常羡慕。 但既然中国早已掌握了将二氧化碳变成石油的技术，却为何没有大规模普及呢？

其实原因非常简单，那就是成本比较昂贵，至少比起从石油中直接提取，还是要花费更高的代价，所以并不划算。但想来随着这种技术的进一步发展，还是能为解决温室效应提供新思路的。一旦大规模的推广，完全有可能让地球的变暖暂停，挽救危在旦夕的地球环境。

同时，该技术还可以让人们不再为风力发电、太阳能发电的不稳定性而烦恼。因为我们可把这些电力用于“碳转油”的生产上，成功将电能转化为化学能储存起来。毕竟现在全世界5年的电池产能，也只够东京用3天，因此该技术的应用前景不可低估。顺便一说，这是不是就意味着石油不全是由有机物生成的？