在全球積極應對氣候變化、努力實現(xiàn)碳中和目標的大背景下，傳統(tǒng)能源體系向綠色、低碳、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢。在此進程中，二氧化碳制甲醇技術脫穎而出，展現(xiàn)出巨大的潛力，成為推動能源轉(zhuǎn)型的關鍵力量。傳統(tǒng)能源長期占據(jù)主導地位，但其在使用過程中大量排放二氧化碳，給生態(tài)環(huán)境帶來沉重壓力，引發(fā)全球變暖、氣候等一系列嚴峻問題。因此，開發(fā)能夠有效利用二氧化碳、減少碳排放的新技術迫在眉睫。甲醇作為一種重要的化工原料和潛在的能源載體，通過二氧化碳加氫制甲醇的路徑，不僅為二氧化碳的資源化利用開辟了新途徑，也為能源結(jié)構多元化提供了新的可能，有望在傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮不可替代的作用。

一、傳統(tǒng)能源現(xiàn)狀與轉(zhuǎn)型需求

（一）傳統(tǒng)能源消費結(jié)構與碳排放問題

      長期以來，煤炭、石油和天然氣等化石能源在全球能源消費結(jié)構中占據(jù)主導地位。以我國為例，盡管近年來能源結(jié)構不斷優(yōu)化，但煤炭在一次能源消費中的占比仍較高。大量使用化石能源的直接后果是二氧化碳排放量急劇增加。據(jù)相關統(tǒng)計，我國每年焦化廠、水泥廠、鋼鐵廠、煤化工、發(fā)電廠等高耗能行業(yè)排放的二氧化碳約達 80 億噸。這些二氧化碳排放進入大氣，嚴重破壞全球碳循環(huán)平衡，導致溫室效應加劇，引發(fā)冰川融化、海平面上升、天氣事件增多等一系列環(huán)境問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展構成嚴重威脅。

（二）能源轉(zhuǎn)型的緊迫性與目標

      面對日益嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，能源轉(zhuǎn)型已刻不容緩。世界各國紛紛制定減排目標，積極推動能源體系向綠色低碳轉(zhuǎn)型。我國提出了 “雙碳” 目標，即力爭 2030 年前實現(xiàn)碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和。這一目標彰顯了我國應對氣候變化的堅定決心，也對能源轉(zhuǎn)型提出了明確要求。實現(xiàn) “雙碳” 目標，需要從能源生產(chǎn)、消費等各個環(huán)節(jié)入手，大力發(fā)展可再生能源，提高能源利用效率，減少對化石能源的依賴，而二氧化碳制甲醇技術恰好契合了這一轉(zhuǎn)型方向，為達成目標提供了有力的技術支撐。

二、二氧化碳制甲醇技術解析

（一）化學反應原理

      二氧化碳制甲醇的核心化學反應方程式為：CO2+3H2→CH3OH+H2O(ΔH=?49.4kJ/mol)。這一反應看似簡單，實則蘊含復雜的化學過程。二氧化碳分子中的碳原子處于最高氧化態(tài)，化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，難以活化。而氫氣具有較強的還原性，在合適的條件下，能夠與二氧化碳發(fā)生反應。該反應是一個可逆反應，反應過程中存在化學平衡，受到溫度、壓力、催化劑等多種因素的影響。從熱力學角度分析，低溫、高壓有利于反應向生成甲醇的方向進行，但實際生產(chǎn)中，還需綜合考慮反應速率、催化劑活性等因素，找到最佳的反應條件。

（二）催化劑的關鍵作用

1. 常見催化劑類型

      銅基催化劑：如(Cu/ZnO/Al2O3)是目前應用較為廣泛的二氧化碳加氫制甲醇催化劑。銅作為活性中心，能夠促進氫氣的吸附和活化，同時與氧化鋅等助劑協(xié)同作用，提高對二氧化碳的吸附能力和甲醇的選擇性。我國煤制甲醇工藝用催化劑過去基本被國外企業(yè)壟斷，但近年來，中國科學院大連化物所、中國科學院上海高研院、國家能源低碳研究院、西南化工設計研究院等科研機構和企業(yè)在銅基催化劑研發(fā)方面取得一定進展，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的銅基催化劑，但總體仍處于小試或中試階段。

       金屬氧化物催化劑：除銅基催化劑外，一些金屬氧化物如\(ZnO/ZrO2)等也被用于二氧化碳制甲醇反應。它們具有特別的晶體結(jié)構和表面性質(zhì)，能夠提供特定的活性位點，促進二氧化碳的活化和轉(zhuǎn)化。例如，ZnO可以調(diào)節(jié)催化劑的電子結(jié)構，增強對二氧化碳的吸附，(ZrO2)則具有較好的熱穩(wěn)定性和抗積碳性能，有助于提高催化劑的使用壽命。

      貴金屬催化劑：貴金屬如鉑（Pt）、鈀（Pd）等具有較高的催化活性，但由于成本高昂，限制了其大規(guī)模應用。不過，在一些對催化劑性能要求高的特定場景或基礎研究中，貴金屬催化劑仍發(fā)揮著重要作用。研究人員通過對貴金屬催化劑的結(jié)構和組成進行優(yōu)化，探索提高其性能和降低成本的方法，以期在未來實現(xiàn)更廣泛的應用。

2. 催化劑性能優(yōu)化方向

      提高活性：開發(fā)新型催化劑材料或?qū)ΜF(xiàn)有催化劑進行改性，增加活性位點數(shù)量，提高催化劑對二氧化碳和氫氣的吸附和活化能力，從而加快反應速率，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。例如，通過納米技術制備高分散的催化劑，使活性組分能夠充分暴露，提高其催化活性。

      增強選擇性：優(yōu)化催化劑的孔結(jié)構、酸性位點等，抑制副反應的發(fā)生，提高甲醇的選擇性。二氧化碳加氫反應過程中，可能會生成一氧化碳、甲烷、二甲醚等多種副產(chǎn)物，通過合理設計催化劑，使反應路徑更傾向于生成甲醇，是提高甲醇選擇性的關鍵。

      提升穩(wěn)定性：解決催化劑在反應過程中的積碳、燒結(jié)、中毒等問題，延長催化劑的使用壽命。例如，選擇合適的載體材料，增強活性組分與載體之間的相互作用，提高催化劑的抗積碳和抗中毒能力；優(yōu)化催化劑的制備工藝，提高其熱穩(wěn)定性，防止在高溫反應條件下發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。

      3.反應條件的影響

      溫度的影響：一般來說，二氧化碳制甲醇反應在 200 - 300℃左右進行。溫度對反應速率和化學平衡有著顯著影響。當溫度較低時，反應速率較慢，催化劑活性未能充分發(fā)揮，二氧化碳轉(zhuǎn)化率較低；隨著溫度升高，反應速率加快，但過高的溫度會使反應向逆方向進行，不利于甲醇的生成，同時還可能導致催化劑失活、副反應增加等問題。因此，在實際生產(chǎn)中，需要精確控制反應溫度，以達到最佳的反應效果。

      壓力的作用：該反應通常在 5 - 10MPa 的壓力下進行。較高的壓力有利于反應向生成甲醇的方向移動，因為這是一個氣體體積減小的反應，增加壓力可以使化學平衡向產(chǎn)物方向移動，提高甲醇的產(chǎn)率。但壓力過高會增加設備成本和運行成本，對設備的耐壓性能要求也更高，同時還可能帶來安全隱患。所以，在選擇反應壓力時，需要綜合考慮經(jīng)濟成本和工藝要求等因素。

（四）工藝流程介紹

      原料氣的預處理：用于二氧化碳制甲醇的原料氣，即二氧化碳和氫氣，往往含有雜質(zhì)，如硫化物、二氧化碳中的水分等。這些雜質(zhì)會對催化劑造成毒害，降低催化劑的活性和使用壽命，因此必須進行嚴格的預處理。對于二氧化碳氣體，通常采用吸附、吸收等方法去除其中的水分和酸性雜質(zhì)；對于氫氣，需要通過脫硫、脫碳等工藝，將其中的有害雜質(zhì)降低到允許的范圍。只有經(jīng)過預處理后的純凈原料氣，才能進入后續(xù)的反應系統(tǒng)。

      反應過程：經(jīng)過預處理的二氧化碳和氫氣按一定比例混合后，進入反應器。反應器的類型多樣，常見的有固定床反應器、流化床反應器等。在反應器內(nèi)，原料氣在催化劑的作用下發(fā)生反應生成甲醇和水。以固定床反應器為例，催化劑固定在反應器內(nèi)，原料氣通過催化劑床層進行反應。這種反應器結(jié)構簡單，操作穩(wěn)定，但存在傳熱性能較差、易出現(xiàn)熱點等問題。流化床反應器則利用氣體使催化劑顆粒處于流化狀態(tài)，反應過程中傳熱傳質(zhì)效率高，能夠有效避免熱點的產(chǎn)生，但對設備的磨損較大。不同類型的反應器各有優(yōu)缺點，在實際應用中需要根據(jù)具體情況進行選擇。

      產(chǎn)物分離與提純：反應后的產(chǎn)物是一個復雜的混合物，包含甲醇、水、未反應的二氧化碳和氫氣等。為了得到高純度的甲醇產(chǎn)品，需要進行一系列的分離和提純步驟。首先，通過冷凝的方法將大部分水和甲醇冷凝下來，形成液相，未冷凝的氣體則主要包含未反應的二氧化碳和氫氣，可以循環(huán)回反應器繼續(xù)參與反應，以提高原料的利用率。對于冷凝得到的液相，再通過精餾等技術進行進一步分離。精餾過程利用甲醇和水的沸點差異，將甲醇從混合液中分離出來，得到符合純度要求的甲醇產(chǎn)品。

三、二氧化碳制甲醇技術的優(yōu)勢

（一）助力碳減排與碳中和

      通過將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇，實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用，減少了其在大氣中的排放。如果我國每年能將 80 億噸高耗能行業(yè)排放的二氧化碳中的十分之一用于合成綠色甲醇，就可制備約 6 億噸綠色甲醇，折算成成品油相當于 2.7 億噸，這將在很大程度上幫助我國實現(xiàn)碳減排目標，有力推動碳中和進程。這種對二氧化碳的 “變廢為寶”，不僅降低了碳排放對環(huán)境的危害，還為傳統(tǒng)能源行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了切實可行的途徑。

（二）能源多元化與安全保障

      甲醇來源廣泛，可由煤、石油、天然氣、電能等多種原料生產(chǎn)。利用二氧化碳制甲醇技術，進一步拓展了甲醇的制備原料范圍。尤其是結(jié)合可再生能源電解水制氫，實現(xiàn)了綠色甲醇的生產(chǎn)。這有助于減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，優(yōu)化能源結(jié)構，提高國家能源供應的多元化程度。以我國為例，我國能源結(jié)構呈現(xiàn)富煤、少氣、貧油的特點，大力發(fā)展二氧化碳制甲醇技術，能夠充分利用國內(nèi)豐富的煤炭資源以及可再生能源資源，通過生產(chǎn)甲醇作為能源載體，保障國家能源安全。

（三）甲醇的能源特性與應用潛力

      優(yōu)良的儲能載體：甲醇具有易于液化、儲能密度高、存儲和運輸安全性高、成本低等優(yōu)點，是理想的儲能載體之一。與抽水蓄能和電池儲能相比，雖然以二氧化碳為原料的電制甲醇儲能技術在系統(tǒng)能效上優(yōu)勢不突出，但其儲能密度遠超抽水蓄能和電池儲能技術，是電池儲能密度的 30 倍以上。這使得甲醇在大規(guī)模長周期儲能場景中具有特別優(yōu)勢，能夠有效解決可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性問題，實現(xiàn)能源的跨時空存儲和調(diào)配。

       廣泛的應用領域：在交通領域，甲醇可作為燃料直接應用于甲醇汽車。目前全球汽車行業(yè)正朝著新能源轉(zhuǎn)型，甲醇汽車憑借其燃料成本低、續(xù)航里程長等優(yōu)勢，成為新能源汽車技術路線中的重要一員。吉利等企業(yè)已經(jīng)在甲醇汽車研發(fā)和推廣方面取得一定成果，建立了覆蓋甲醇生產(chǎn)、運輸、加注以及車輛應用等多個環(huán)節(jié)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在工業(yè)領域，甲醇是重要的化工原料，可用于生產(chǎn)甲醛、醋酸、烯烴等多種化工產(chǎn)品，為化工行業(yè)提供了新的原料選擇，有助于推動化工行業(yè)的綠色發(fā)展。

四、技術發(fā)展現(xiàn)狀與項目案例

（一）全球研發(fā)進展與突破

      近年來，在碳中和目標的推動下，全球二氧化碳加氫制甲醇技術加速發(fā)展。國際上眾多科研機構和企業(yè)紛紛加大研發(fā)投入，在催化劑研發(fā)、工藝優(yōu)化等方面取得了一系列重要突破。例如，一些研究團隊通過對催化劑的微觀結(jié)構進行精準調(diào)控，開發(fā)出新型高效催化劑，顯著提高了二氧化碳轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性。同時，在反應工藝方面，不斷探索新的反應路徑和反應器設計，以提高反應效率、降低能耗。

（二）國內(nèi)科研成果與企業(yè)布局

      在國內(nèi)，中國科學院大連化物所、華東師范大學等科研機構在二氧化碳制甲醇技術研究方面成績斐然。大連化物所開發(fā)的新型催化劑在低溫下展現(xiàn)出高活性和高選擇性，為降低反應能耗提供了可能；華東師范大學研制的負載型金屬間化合物催化劑，實現(xiàn)了較高的二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性，具有良好的工業(yè)應用前景。企業(yè)層面，吉利控股集團積極布局綠色甲醇產(chǎn)業(yè)，其投資的安陽十萬噸級綠色甲醇工廠已正式投產(chǎn)，利用當?shù)刎S富的風能、太陽能資源，通過電解水制氫和二氧化碳加氫合成甲醇，推動了甲醇在汽車領域的應用。盛虹石化引進綠色甲醇合成工藝，對石化生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進行捕集利用，形成了 “二氧化碳捕集利用 — 綠色甲醇 — 新能源材料” 的負碳產(chǎn)業(yè)鏈，每年可回收 15 萬噸二氧化碳，生產(chǎn) 10 萬噸甲醇。

（三）典型示范項目介紹

      國外項目案例：冰島的碳循環(huán)利用公司（CRI）開展的項目，利用地熱發(fā)電電解水制氫（1200 噸 / 年），同時捕集地熱伴生氣中的二氧化碳（5600 噸 / 年），合成 4000 噸 / 年的甲醇。該項目將可再生能源與二氧化碳捕集利用相結(jié)合，為二氧化碳制甲醇技術在特定能源資源條件下的應用提供了成功范例。

      國內(nèi)項目案例：由中國科學院大連化物所提供技術，采用 10MW 光伏 + 堿性電解水制氫 + 合成氨工廠尾氣捕集二氧化碳的工藝，催化劑采用(ZnO - ZrO2)氧化物，于 2020 年 10 月 15 日投產(chǎn)，甲醇規(guī)模達 1440t/a。該項目充分利用了當?shù)氐墓I(yè)尾氣資源和可再生能源，實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用和能源的綜合利用，具有良好的示范效應。

五、傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型中的應用前景

（一）在電力行業(yè)的應用設想

      與可再生能源協(xié)同：在可再生能源發(fā)電過程中，由于風能、太陽能的間歇性和波動性，電力供應不穩(wěn)定。二氧化碳制甲醇技術可以與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，在電力過剩時，利用多余的電能電解水制氫，再將氫氣與捕集的二氧化碳合成甲醇進行儲存。當電力供應不足時，通過甲醇重整制氫發(fā)電，實現(xiàn)電力的平穩(wěn)輸出，有效解決可再生能源并網(wǎng)難題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

       儲能與調(diào)峰：甲醇儲能具有大規(guī)模長周期儲存的優(yōu)勢，可作為電力系統(tǒng)的儲能手段。在用電低谷期，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇儲存起來；在用電高峰期，再將甲醇轉(zhuǎn)化為電能釋放，起到削峰填谷的作用，緩解電力供需矛盾，優(yōu)化電力資源配置，降低電力系統(tǒng)對傳統(tǒng)調(diào)峰電源的依賴。

（二）對化工行業(yè)的變革推動

      原料結(jié)構優(yōu)化：傳統(tǒng)化工行業(yè)對化石能源原料依賴度高，碳排放量大。二氧化碳制甲醇技術為化工行業(yè)提供了新的原料選擇，化工企業(yè)可以利用二氧化碳和氫氣合成甲醇，進而生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品，減少對煤炭、石油等化石原料的使用，優(yōu)化原料結(jié)構，降低碳排放，推動化工行業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型。

      綠色化工產(chǎn)業(yè)鏈構建：以二氧化碳制甲醇為核心，可構建起一條綠色化工產(chǎn)業(yè)鏈。從二氧化碳捕集、氫氣制備，到甲醇合成，再到下游甲醇制烯烴、芳烴等化學品的生產(chǎn)，形成一個完整的碳循環(huán)體系。這不僅有助于實現(xiàn)化工行業(yè)的節(jié)能減排，還能創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)增長點，促進化工產(chǎn)業(yè)的升級和可持續(xù)發(fā)展。

（三）在交通領域的發(fā)展?jié)摿?/p>

      甲醇汽車推廣：甲醇作為汽車燃料具有成本低、燃燒清潔等優(yōu)點。隨著二氧化碳制甲醇技術的發(fā)展，綠色甲醇的產(chǎn)量逐漸增加，為甲醇汽車的推廣提供了穩(wěn)定的燃料來源。目前，吉利等企業(yè)已經(jīng)在甲醇汽車研發(fā)和生產(chǎn)方面取得進展，下一代甲醇乘用車采用 “醇氫動力” 的超醇電混動力技術，實現(xiàn)了多種能源形式的靈活切換和高效利用。未來，隨著技術的進一步成熟和基礎設施的完善，甲醇汽車有望在交通領域占據(jù)一席之地，為減少交通運輸行業(yè)的碳排放做出貢獻。

      與氫燃料電池汽車協(xié)同發(fā)展：甲醇可以通過重整制氫為氫燃料電池汽車提供氫氣。相較于直接儲存和運輸氫氣，甲醇具有儲存和運輸方便、安全性高的優(yōu)勢。在一些氫氣基礎設施建設不完善的地區(qū)，可以先發(fā)展甲醇制氫加氫一體站，利用甲醇為氫燃料電池汽車提供氫氣，促進氫燃料電池汽車的發(fā)展，同時也為二氧化碳制甲醇技術在交通領域的應用拓展了空間。

六、挑戰(zhàn)與對策

（一）技術瓶頸與解決方案

      催化劑性能提升難題：目前，工業(yè)上仍缺乏能夠同時滿足高二氧化碳轉(zhuǎn)化率、高甲醇選擇性和高穩(wěn)定性的理想催化劑。雖然科研人員在催化劑研發(fā)方面取得了一些進展，但距離大規(guī)模工業(yè)化應用仍有差距。未來需要進一步加強基礎研究，深入了解催化劑的活性中心、反應機理等，通過多學科交叉融合，開發(fā)新型催化劑材料和制備工藝，提高催化劑的綜合性能。

      反應能耗降低挑戰(zhàn)：二氧化碳制甲醇反應需要消耗一定的能量，目前的工藝在能耗方面仍有較大的優(yōu)化空間。一方面，可以通過改進反應器設計，提高反應過程中的傳熱傳質(zhì)效率，減少能量損失；另一方面，探索新的反應路徑和工藝條件，降低反應的活化能，從而降低能耗。此外，與可再生能源的深度耦合也是降低能耗的重要途徑，利用可再生能源提供反應所需的能量，實現(xiàn)能源的清潔利用。

（二）成本問題與應對策略

       技術成本較高：二氧化碳制甲醇技術目前處于發(fā)展初期，與傳統(tǒng)煤制甲醇、天然氣制甲醇相比，技術成本偏高。這主要是由于催化劑成本高、工藝復雜、設備投資大等原因造成的。為降低技術成本，一方面需要通過技術創(chuàng)新，提高催化劑的性能和使用壽命，降低催化劑成本；另一方面，優(yōu)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率，降低設備投資和運行成本。同時，隨著技術的規(guī)?；瘧茫瑔挝划a(chǎn)品成本有望進一步降低。

       原料成本波動：二氧化碳和氫氣的成本波動會影響甲醇的生產(chǎn)成本。對于二氧化碳捕集，目前的技術成本較高，需要進一步提高捕集效率，降低捕集成本。對于氫氣，雖然可再生能源電解水制氫是未來的發(fā)展方向，但目前成本仍相對較高。可以通過政策扶持，鼓勵發(fā)展可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)，提高可再生能源在能源結(jié)構中的占比，降低氫氣成本。同時，探索多種氫氣來源途徑，如工業(yè)副產(chǎn)氫的回收利用等，穩(wěn)定原料成本。

產(chǎn)品展示

       SSC-DBDC80等離子體協(xié)同催化評價系統(tǒng)，適用于合成氨、甲烷重整、二氧化碳制甲醇、污染物講解等反應。該系統(tǒng)通過等離子體活化與熱催化的協(xié)同作用，突破傳統(tǒng)熱力學的限制，實現(xiàn)高效、低能耗的化學反應。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1、BD等離子體活化，放電機制：在高壓交流電場下，氣體（如N?、H?、CH?）被電離，產(chǎn)生高能電子（1-15 eV）、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子。介質(zhì)阻擋層（如石英、陶瓷）限制電流，防止電弧放電，形成均勻的微放電絲。

2、活性物種生成：N?活化：高能電子解離N?為N原子（N），突破傳統(tǒng)熱催化的高能壘（~941 kJ/mol）。H?活化：生成H*自由基，促進表面加氫反應。激發(fā)態(tài)分子，降低反應活化能。

3、熱催化增強，表面反應：等離子體生成的活性物種（N*、H*）在催化劑表面吸附并反應，生成目標產(chǎn)物（如NH?、CH?OH）催化劑（如Ru、Ni）提供活性位點，降低反應能壘。

4、協(xié)同效應：等離子體局部加熱催化劑表面，形成微區(qū)高溫（＞800°C），加速反應動力學。等離子體誘導催化劑表面缺陷（如氧空位、氮空位），增強吸附能力。等離子體活化降低對溫度和壓力的依賴，反應條件更溫和。通過動態(tài)調(diào)控調(diào)節(jié)放電參數(shù)（頻率、電壓）和熱催化條件（溫度、壓力），實現(xiàn)能量輸入與反應效率的最佳匹配。

5、等離子體-熱催化協(xié)同：突破傳統(tǒng)熱力學限制，實現(xiàn)低溫低壓高效反應。

6、模塊化設計：便于實驗室研究與工業(yè)放大。

7、智能調(diào)控：動態(tài)優(yōu)化能量輸入與反應條件。

8、DBD等離子體誘導催化劑表面缺陷，增強吸附與活化能力；余熱利用與動態(tài)功率分配提升能效。