一、项目背景：

CO₂ 是一种引起全球环境气候变化、需要大幅减排的温室气体，同时也是一种可利用的资源。二氧化碳的转化和优化利用受到世界各国学术界、工业界和政府的高度重视，其关键难点在于资源化技术必须满足经济可行、过程清洁高效的要求，并且资源化产品应市场需求潜力大、附加值高，即须同时满足显著的经济效益和环境效益。

现有的CO₂的资源化利用主要包括如下几个方面：

（1）将CO₂用于采油并同时实现封存固定。

（2）将CO₂分离提纯后用做工业原料。

（3）CO₂用作合成高分子材料或尿素、碳酸氢铵等化学肥料的原料。

（4）将CO₂催化或电解还原为甲酸、甲醇、CO、CH4、C2H4等化学燃料。

其中（3）、（4）属化学转化，近年来受到国内外化学研究人员的普遍关注，但也存在技术和经济方面的难题。例如，在现有化学催化和光催化的化学转化反应中，因 CO₂热力学上的稳定性，提高转化速率和转化效率成为急需解决的关键问题。在离子液体、有机电解质、水溶液中进行电化学（催化）转化制甲醇、甲酸或一氧化碳的研究均有报道，但同样也面临如何提高转化效率与反应速率的问题。

课题组前期进行了熔盐吸收CO₂ 并电化学还原的初步探索，发现以碱性熔融碳酸盐为 CO₂ 吸收液和电解液、二氧化锡为惰性阳极，能够捕集CO₂并电化学转化为高附加值碳材料和氧气，电流效率达到90%。

本项目将在CO₂资源化利用领域取得突破，率先实现世界上第一套“太阳能驱动的CO₂ 熔盐吸收-电化学还原利用装置”，取得知识产权，掌握相关的核心技术。目前，世界上发达国家都希望承担更少的CO₂ 减排责任，我国如果能够在这一领域实现突破，在CO₂减排的同时，取得良好的经济效益，无疑将增加中国在这一领域的话语权，极大提升中国科技和中国制造的形象。

二、项目描述：

首先以熔融无机盐为吸收剂，将火电厂、金属冶炼厂和水泥厂等工厂废气中二氧化碳捕集吸收；然后以可再生能源电力（光伏发电、风能发电、太阳能热发电）或电网弃电（用电低谷弃电）为驱动力，将捕集的二氧化碳通过熔盐电化学电解技术转化为碳材料（高性能活性碳、石墨、超薄碳片、碳纳米线、碳纳米管、中空碳球）和纯氧气；所得碳材料可应用于超级电容器、锂离子电池、燃料电池、抗静电油墨、碳布、碳纤维、水/空气净化等领域。

三、项目亮点：

（1）具有环境与经济双重收益，该项目以工厂烟气中CO₂为原料，一方面可以降低CO₂排放，同时获得碳产品具有较高的应用价值。

（2）可以直接原地利用新能源（风能、太阳能）电力，减少新能源并网与运输压力；同时可以作为智能电网的调控单元，消纳电网弃电。

（3）工艺不受工厂烟气中水、无机盐、SO₂、NOx的影响，烟气中二氧化碳无需净化和分离提纯，可以直接捕集利用，减少分离提纯成本；同时可以实现烟气的同步脱硫（吸收SO₂）。

（4）已掌握碳材料的精准调控技术，可以根据需要，将阴极产物控制为高性能活性碳、石墨、超薄碳片、碳纳米线、碳纳米管、中空碳球。

（5）已掌握CO₂的捕集与电化学转化过程中的动力学调控技术，可以保证碳产品的生产效率。

（6）已在电解槽体、阳极等关键材料方面实现突破，并掌握了产物分离的技术，具备了工业化应用的基础。

四、项目内容：

通过系统的基础研究和技术创新，解决了光伏驱动的熔盐电化学二氧化碳资源化处理新技术，解决了二氧化碳低温熔盐吸收-电化学还原技术（MSCC-ET）的放大以及光伏系统与电解系统的耦合两大难点，建成了世界上首套日产公斤级碳的“太阳能驱动的 CO2熔盐吸收-电化学还原利用装置”，并进行运行示范。获得系列自主知识产权，获批和申请国家发明专利9项，突破和掌握了相关核心技术。

1）优选了高效捕集二氧化碳的低温无机熔盐体系，掌握了吸收反应的动力学规律和动力学参数。

2）实现了由二氧化碳制备高级碳材料和氧气的电化学控制技术。

3）先进碳材料产品品质控制技术。

4）建立了公斤级 MSCC-ET 反应装置和放大运行的控制技术。

5）实现光伏可再生能源系统与熔盐吸收电解池耦合工艺。

五、技术原理：

中美双方根据分工，进行联合研发，其中研究内容的前三项，高效捕集二氧化碳的低温无机熔盐体系、二氧化碳制备高级碳材料和氧气的电化学控制技术、先进碳材料产品品质控制技术，将解决MSCC-ET技术工程应用的基础问题，研究工作发挥中方优势，以中方为主导，美方在惰性阳极材料方面提供技术支持和帮助；研究内容的后两项主要解决MSCC-ET技术与光伏电源系统的耦合和系统的放大，中美双方集中在这个两个领域开展合作研究，进行示范装置的设计和建设。

熔盐CO2捕集与电化学转化工艺原理图

（1）首先直接将“工厂烟气” 通入“电解槽” ；

（2）“电解槽” 中高温熔盐（就是将我们吃的盐、肥皂这类矿物加热熔化，溶化后类似于水）将烟气中的CO₂和SO₂捕集吸收；

（3）捕集吸收的CO₂、SO₂，在“电解槽” 中被电解转化为碳材料和氧气；

（4）电解槽由太阳能、风能、电网弃电供电；

（5）电解得到的碳材料形式包括无定型碳、石墨、超薄碳片、碳纳米线、碳纳米管、空心碳球。

（1）首先CO2与熔盐中Li₂O（碱）反应生成Li₂CO₃（碳酸盐）；

（2）然后被捕集吸收的CO₂（Li₂CO₃，碳酸盐）被电解转化，在阳极得到氧气，在阴极得到碳材料。

六、技术创新：

（1）新型熔盐电解体系的析氧惰性阳极材料，解决了二氧化碳捕集和资源化利用的可实用化的析氧阳极，为这项绿色技术提供了关键材料保障；

（2）实现了是光伏能源系统与熔盐吸收电解系统的直接耦合工艺，打通了高效率利用太阳能资源技术路线；

（3）建立了首套公斤级 MSCC-ET 反应装置放大技术。合作研究在以上的三个方面取得技术突破和创新，得到了新的二氧化碳资源化工程技术，实现世界上首套光伏驱动的二氧化碳高附加值资源化利用的 MSCC-ET 技术示范装置。

七、项目成果：

1)使 MSCC-ET 技术由实验室概念验证达到工程应用水平，掌握光伏驱动的二氧化碳 MSCC-ET 资源化整套技术；

2）成功建立首套光伏驱动千安培量级的 MSCC-ET 技术示范装置，该装置系统每天能够吸收处理 CO2 浓度为 10 % 的干烟气 300Nm3 ；

3）将MSCC-ET 技术制碳的能力从 十克级碳提升到15公斤级碳产品，生产的碳产品具有高比表面积（>500m2 /g）和良好的电容性，电容值400 F/g。

八、项目效益：

1)可利用难以并网的可再生能源电力（太阳能、风能）或电网峰谷电力进行电解，亦可利用工业过程的余热进行熔盐加温。

2)带动我国光伏下游产业链的发展。在发达国家市场需求疲软，贸易保护兴起的当下，充分发掘我国的太阳能资源，推动光伏产品、组件的下游应用，是消化过剩产能、增加内需的有效途径。

3)促进二氧化碳捕集和资源化相关产业的发展。本项目研究所取的技术和成果，是对现有的二氧化碳捕集和资源化方式的有效补充，能够培育二氧化碳捕集与利用相关的新兴产业。

4)MSCC-ET 技术能够生产出高附加值的高性能碳材料，可用于吸附、电池、油墨、超级电容器等领域。

5)在本项目技术基础上进一步开发工业级装置与技术，将孕育新的环保装备与技术产业，并可立足国内，向世界推广我国原创的技术和装置，占领国际市场，促进全世界的二氧化碳资源化利用和新能源产业发展，预期可产生巨大的经济效益和社会效益。