我們人類在2014年向大氣中排放了359億噸二氧化碳，主要來自發電廠燃燒煤炭和天然氣、生產肥料和水泥以及其他工業過程。康奈爾大學化學工程師萊登·阿徹說，如果化學家能夠像植物那樣捕獲二氧化碳並將其轉化為其他產品的化學構件，“二氧化碳將不再是一種麻煩，而是一種禮物。”
多年來，科學家們一直試圖儲存從發電廠和其他排放源的排氣管道中捕獲的二氧化碳，主要是透過將其注入地下深處。然而，如果沒有大量補貼，這種昂貴的碳封存過程可能在經濟上不可行。將二氧化碳注入舊油井以驅出更多石油是一種應用，但這還不夠，而且鑑於目前低油價，尚不清楚它是否划算。利用碳而不是儲存碳的支持者希望透過從這種廢品中創造有價值的東西來獲利。最有可能的應用是將這種氣體作為製造化工產品的原料，這也可以透過用更環保的材料替代石化產品來獲得回報。
這些支持者面臨著一個棘手的化學問題。二氧化碳是一種穩定的分子，其化學鍵中沒有儲存太多能量。為了利用它，化學家們必須新增能量，通常是透過加熱，這通常需要電力。而大部分電力來自燃燒煤炭或天然氣的發電廠——排放更多的二氧化碳到大氣中，甚至比捕獲的還要多。
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工程師、化學家和其他研究人員表示，新技術正在改變局面。保羅·邦傑是XPRIZE基金會能源與環境組的高階科學家，他希望為解決方案頒發鉅額獎金將刺激各種各樣的技術專家。下週三，該基金會將宣佈，超過40支團隊正在競爭贏得2000萬美元的獎金。碳XPRIZE的獲勝者將於2020年春季宣佈，他將把最多的二氧化碳封存到淨價值最高的產品中。一些團隊的目標是製造聚合物、替代汽油的燃料或工業化學品。
從長遠來看，所有生產一種或另一種化學品的不同公司可能會組成一個碳利用產業，從而產生影響。邦傑說，氣候變化規模的問題需要多種解決方案。
康奈爾大學的阿徹也是碳XPRIZE顧問委員會成員，他說：“現在的問題是化學領域的人們如何創造新的反應、新的機制來利用二氧化碳作為原料？”本週在科學進展上，他提供了一個答案：一種燃料電池，它在產生電力的同時將二氧化碳轉化為商品化學品。阿徹和他的學生瓦吉·薩達特建造了一個原型反應器，將二氧化碳與鋁和氧氣結合，生成草酸鹽。草酸鹽用於製造酸、除鏽劑、織物染料和其他工業化學品。
阿徹非常清楚嘗試用二氧化碳進行環境友好型化學的陷阱。“通常你會消耗如此多的能量，以至於成本過高——但我們會獲得能量回報，”他說。“這讓我們感到驚訝。”
該電池依靠鋁和空氣執行。在內部，氧氣與鋁製電極反應，形成高度活潑的超氧化鋁，能夠與原本不活潑的二氧化碳發生反應。兩者反應生成草酸鋁。燃料電池從這些化學反應中捕獲一些能量，雖然它需要電壓來驅動反應，但阿徹說，這個過程似乎產生的電力多於它消耗的電力。由於金屬被消耗，選擇合適的金屬是關鍵。他選擇了鋁，因為它儲量豐富且價格低廉。儘管鋁生產會排放二氧化碳，但阿徹希望他的系統能在草酸鹽中捕獲足夠的碳來抵消這一點。
康奈爾小組警告說，他們並不完全瞭解所涉及的化學反應。例如，早期版本的燃料電池使用了一種昂貴的材料，稱為離子液體作為電解質。阿徹說，如果它發揮關鍵作用且無法替代，這項技術可能就不可行。
草酸鹽是一種小眾產品，就像許多從事碳利用的初創公司正在生產的化學品一樣。但有些公司的目標遠大。Skyonic的試點工廠位於德克薩斯州聖安東尼奧市，它捕獲水泥廠的排放物並將其轉化為石灰石和酸。Solidia Technologies將二氧化碳封存在混凝土本身中。其他處於不同階段的公司正在致力於製造塑膠、替代燃料和化學原料。
霍華德·赫爾佐格沒有特別針對任何專案，他說，許多承諾利用捕獲的碳的專案看起來都好得令人難以置信。赫爾佐格是麻省理工學院能源倡議的高階研究工程師，也是碳封存的支持者。“二氧化碳是耗盡的能量，”他說。在產品生命週期中不投入更多能量的情況下，從二氧化碳中獲得商品化學品或能量形式的價值是極其困難的。“就能量而言，你不可能獲勝。熱力學告訴我們這一點，”赫爾佐格說。
儘管赫爾佐格承認其中一些公司可能會盈利，但他對碳利用在環境方面產生重大影響的潛力持懷疑態度。他是2005年IPCC二氧化碳捕獲與封存特別報告的主要作者，並表示該報告關於碳利用的結論仍然成立：在全球排放量方面產生重大影響的潛力很小。即使化學工業使用二氧化碳來製造其所有產品——沒有人認為這有可能——它們也無法吸收所有排放物。
位於加利福尼亞州伯克利的初創公司Opus 12的聯合創始人肯德拉·庫爾深知，碳利用不會完全解決世界排放問題。Opus 12正在開發一種電化學反應器，該反應器利用新型催化劑和可再生電力將二氧化碳轉化為聚合物構件和其他化學品。庫爾說，Opus 12將競爭碳XPRIZE。儘管對產品的需求不足以消耗大量的二氧化碳排放，但她表示，鑑於繼續挖掘化石燃料來供應石化工業的環境後果，嘗試使用二氧化碳來替代是值得的。“我們需要一種新的化學方法。”