二氧化碳能当燃料？催化剂的发现将排放转化为机遇

甲醇是多种化学产品（包括塑料和燃料）的关键起始原料。它常被描述为“生产各种化学品和材料的通用前体”，正如苏黎世联邦理工学院催化工程教授哈维尔·佩雷斯-拉米雷斯所指出的那样，它本质上是“化学界的瑞士军刀”。

这种液体在向可持续化学产品和燃料生产转型过程中发挥着关键作用，但这只有在用于生产氢气和驱动催化反应的能源以可持续方式产生的情况下才能实现。在这种情况下，甲醇最终可以以气候中和的方式生产，从而提供一种环保的二氧化碳(CO₂)利用方式。₂）来自大气层。

然而，传统的甲醇生产在很大程度上是不可持续的，因为绝大多数甲醇都是用化石燃料生产的，导致温室气体（GHG）排放量很高。

这种情况或许即将改变，因为苏黎世联邦理工学院的科学家们已经开发出一种合成甲醇的方法，这可能成为构建无化石燃料化学工业的基础。该研究成果发表在《自然》杂志上。 该研究¹ 详细介绍了如何利用单个金属原子作为催化剂，由氢气和二氧化碳制取液态酒精。

随着科学家们不断探索利用催化剂提高化学反应效率的方法，苏黎世联邦理工学院研究人员的这种新方法也可能使稀有和昂贵金属的利用更加经济。

研究人员将孤立的铟原子放置在载体材料上，开发出一种能够转化一氧化碳的催化剂。₂ 和H₂ 转化为甲醇的效率要高得多。

碳排放失衡带来挑战与机遇

二氧化碳（CO₂二氧化碳（CO₂）是一种无色、无味、无毒的气体，在地球自然系统中发挥着至关重要的作用。植物利用二氧化碳。₂ 在光合作用过程中，二氧化碳（CO₂）产生富含能量的化合物，并释放氧气作为副产品。这一过程对人类生存至关重要。₂ 它还参与全球碳循环，碳原子在大气层、地球表面和生物体之间不断循环。

尽管二氧化碳具有重要的自然意义，但它₂ 温室气体是一种重要的温室气体。它能将太阳光的热量滞留在大气层中，产生增温效应，从而维持适宜生命生存的温度。如果没有温室气体，地球将过于寒冷而不适宜居住。然而，温室气体浓度升高会加剧这种增温效应，导致全球变暖和气候变化。

碳在多个碳库中不断循环：岩石、沉积物、大气和生物体。它通过呼吸作用、生物体腐烂、火山爆发和火灾等途径重新进入大气。然而，人类活动如今主导了这种平衡。自19世纪初工业化开始以来，土地开发和化石燃料燃烧产生的碳排放量远远超过了自然碳汇的吸收能力。因此，大气中的二氧化碳浓度不断升高。₂ 浓度已急剧上升，并且还在加速上升。

GLOBAL CO₂ 化石燃料和工业排放的二氧化碳总量达到38.11亿公吨（GtCO₂）。₂根据数据，到2025年，这一数字将比1990年增长超过69%。 Statista中国是 最大的贡献者 全球温室气体排放量排名第二，其次是美国。

近几十年的工业化和经济快速增长导致二氧化碳排放量增加了近450%。₂ 过去三十五年间，该亚洲国家的排放量有所上升，而美国则下降了6.1%，尽管这个北美国家仍然是…… 历史上最大的碳排放源.

美国和以色列对伊朗的战争已经造成了大约 5万吨温室气体排放 在最初的两周内。与此同时，全球二氧化碳₂ 据统计，排放量持续上升，过去十年间陆地和海洋碳汇已减弱约15%。 全球碳计划虽然它确实发现了陆地碳汇，但二氧化碳₂ 植物和土壤吸收的排放物正在恢复到之前的水平厄尔尼诺 经历了几年异常疲软之后，市场开始复苏。

与此同时，一项发表在……的研究 自然² 研究发现，碳汇的减少导致大气中二氧化碳浓度上升约8%。₂ 自 1960 年以来，二氧化碳的吸收使海洋的 pH 值降低了 0.1 个单位，酸度增加了 30%。

因此，随着人类活动释放更多二氧化碳₂ 由于排放到大气中的二氧化碳量超过了自然过程的去除能力，大气中的二氧化碳含量持续增加并屡创新高，因此迫切需要解决二氧化碳排放问题。₂ 排放。

解决这一严峻问题的方法之一是向可再生能源转型。虽然太阳能、风能、水力发电、地热能和生物质能都提供了很有前景的解决方案，但这一转型是一个缓慢而长期的过程，面临着高昂的前期资本投入、基础设施建设和技术挑战。

其他方法包括采用可持续交通方式、提高能源效率以及通过植树造林和土地管理去除现有碳排放。

这些都是很有前景的解决方案，但如果我们能 捕获二氧化碳 直接从环境中获取并将其用作原材料？如果我们能将这种主要的温室气体转化为燃料呢？这将是气候和能源技术领域的一项突破，因为它不仅有助于最大限度地减少全球变暖，还能满足世界巨大的能源需求。

一些研究一直在探索以下方法： 转化 CO₂ 转化为燃料。 这个过程是碳中和的，因为燃料排放的二氧化碳量相同。₂ 燃烧时。它涉及捕获二氧化碳，并利用可再生能源通过催化加氢或电化学还原等化学方法将其转化为甲醇、柴油和汽油等碳氢燃料。

甲醇是CO最实用、最可规模化生产的途径之一。₂ 由于其与现有基础设施的兼容性和跨行业的通用性，因此得到了广泛应用。

甲醇（CH₃羟基苯甲酸（OH）是一种无色、易燃且剧毒的醇类物质，工业活动以及微生物、植物和火山气体都会将其释放到环境中。摄入或吸收后，它会造成严重的健康风险，包括失明、器官衰竭甚至死亡。

这种液态化合物可用作防冻剂​​、工业溶剂，以及塑料、油漆、泡沫、树脂、药品和燃料的化学原料。它还可用作可再生电力的储存能量载体、传统燃料的添加剂和替代液体燃料。作为一种“更清洁”的能源，甲醇可为公共汽车、汽车、卡车、船舶、锅炉和燃料电池提供燃料。它还用于生产二甲醚（DME），另一种可再生燃料。

尽管前景可期，但利用二氧化碳大规模生产甲醇仍面临挑战。₂ 该技术仍面临诸多挑战，包括高能耗、氢气供应以及对经济高效催化剂的需求。目前的研究正在这些方面取得快速进展。

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单原子创新解锁高效二氧化碳₂ 转化率提升

为了利用二氧化碳和氢气生产甲醇，苏黎世联邦理工学院的研究人员在催化剂研究方面取得了进展。

催化剂的使用历史悠久。例如，用于制作面包的酵母就含有天然催化剂（酶），可以帮助面粉转化为面包。随着时间的推移，催化剂技术的进步催生了可生物降解塑料、新型药物和更环保的燃料。

催化剂是一种能够帮助反应更容易、更高效的物质。这些“反应助剂”可以加速化学反应，或者降低引发反应所需的压力或温度，而自身在反应过程中不会被消耗。

化学反应需要能量才能启动，因为分子中原子间的化学键必须重新排列。这种能量需求可能很小，例如划一根火柴，也可能在工业生产过程中高得多，从而推高成本。催化剂有助于降低这种能量需求，其中最有效的催化剂通常含有金属，包括稀有且昂贵的金属。

苏黎世联邦理工学院化学家的突破性成果，促成了一种催化剂的研发，该催化剂可大幅降低由一氧化碳制甲醇所需的最低能量。₂ 以及氢。研究人员实现了铟的极高效利用，使得每个铟原子都成为其自身的活性位点。

与以往催化研究中反复试验的方法不同，新发现的催化剂可以更精确地分析和了解其表面发生的反应，从而为更优化、更合理的催化剂设计铺平道路。

“我们的新型催化剂采用单原子结构，其中孤立的活性金属原子锚定在专门开发的载体材料的表面上。”

– Pérez-Ramírez，国家催化研究能力中心 (NCCR) 主任

虽然新发现的催化剂是单原子催化剂，但传统催化剂通常由金属聚集体构成。这些聚集体颗粒非常小，但通常包含成百上千个金属原子。其中许多原子甚至不直接参与反应。但如果这些原子能够以单个原子的形式发挥作用，它们的效率将大大提高，因为科学家可以更好地利用稀缺且昂贵的化学元素，从而使贵金属的经济效益得以实现。

此外，孤立原子的催化性能与聚集体的催化性能不同。

“铟已经在这种催化剂中使用了十多年了，”佩雷斯-拉米雷斯指出，他一直致力于研发更好的CO催化剂。₂该公司从事甲醇生产已有十五余年，并拥有多项相关专利。“我们的研究表明，氧化铪上的孤立铟原子能够提高一氧化碳的转化效率。”₂基于-的甲醇合成比以纳米颗粒形式存在的铟更合适，该纳米颗粒含有大量的原子。

铟（In）是一种银白色金属，其供应主要依赖于锌矿开采业，铟只是少量副产品。中国（占全球40%）是最大的铟生产国，控制着世界大部分铟储量。铟广泛用于制造氧化铟锡薄膜、合金以及光伏电池、焊料、平板显示器、LED、导热界面材料和电池所需的半导体材料。

为了将单个铟原子精确地放置在氧化铪表面，研究团队开发了几种新的合成方法。这项工作的关键部分是与其他研究机构合作完成的，即设计一种能够为原子提供稳定而又具有反应活性的载体材料。

一种方法是将起始原料在2,000至3,000摄氏度的火焰中燃烧，然后迅速冷却。这样可以使铟留在表面并牢固地结合在一起。

将催化剂原子嵌入耐热氧化铪中表明，单原子催化剂能够承受极端条件，包括高温高压。这种耐久性至关重要，因为从一氧化碳合成甲醇需要用到这种催化剂。₂ 氢气的生成需要高达 300°C 的温度和大约 50 倍于正常大气压的压力。

该研究指出：“通过火焰喷雾热解法合成的纳米结构铟铪氧化物比铟锆氧化物的铟比甲醇生产率高出70%，其中单原子铟的增幅最大。”

孤立原子催化剂的另一个优势在于，科学家可以利用更少的干扰信号分析反应机理，从而获得更清晰的见解。现有的纳米颗粒催化剂一直难以研究，它们本质上就像一个黑匣子。虽然反应仅发生在表面少数原子上，但许多测量信号却来自颗粒内部未参与反应的原子，这使得解释反应过程变得更加困难。

“如果没有这种跨学科的专业知识，甲醇催化剂的开发和机理的详细分析是不可能实现的。”

佩雷斯-拉米雷斯

投资碳回收

塞拉尼斯公司 (CE ) 是一家全球性的化学和特种材料公司，生产工程聚合物。其主要业务部门包括工程材料和乙酰基链。

值得注意的是，该公司直接参与二氧化碳的转化。₂ 塞拉尼斯公司将通过与日本三井物产株式会社的合资企业Fairway Methanol，捕获约180,000万吨二氧化碳并将其转化为甲醇。₂ 每年生产130,000万吨低碳甲醇。

最近，塞拉尼斯公司在其法兰克福和德克萨斯州的生产基地，凭借其 Hostaform 和 Celcon POM ECO-C 等级产品获得了碳足迹认证 (CFC)。这是因为塞拉尼斯投资了碳捕获和利用 (CCU) 技术，以减少化石基投入，同时又不影响材料性能。

塞拉尼斯公司市值达7亿美元，目前股价为62.47美元，年初至今上涨48%。该公司股价在2024年初突破170美元大关后，过去两年一直处于下跌趋势，去年底跌至约35美元，目前正重新获得上涨动力。

该公司过去12个月的每股收益为-10.40，市盈率为-6.02。塞拉尼斯公司的股息收益率为0.19%。

该公司财务方面，由于价格和销量均下降4%，预计2025年全年净销售额将下降7%至9.5亿美元。其营业亏损为786亿美元，按美国通用会计准则（GAAP）计算的稀释后每股亏损为10.44美元，调整后每股收益为3.98美元。

塞拉尼斯报告称，油漆、涂料、汽车和建筑等主要终端市场的需求低于正常水平，但公司仍专注于增加现金流以改善成本、加速去杠杆化并推动营收增长。

“我们全年的业绩证明了我们在充满挑战的环境中，行动计划的有效性和执行力。”

——首席执行官斯科特·理查森

2025年，该公司产生了1.1亿美元的经营现金流，并报告了773亿美元的自由现金流。

理查森表示，现金流的增加，加上超过120亿美元的成本削减、Micromax剥离的完成、近期到期债务的再融资，以及旨在推动增长和丰富新兴市场产品线的各项计划，帮助公司在“降低杠杆率、改善成本和提升营收”等优先事项上取得了“显著进展”。上一季度，塞拉尼斯公司净销售额为2.2亿美元，营业利润为93万美元，调整后每股收益为0.67美元。

至于本季度，该公司预计需求不会有太大变化，但预计销量会有轻微的季节性增长，因此预计第一季度调整后每股收益为 0.70 至 0.85 美元。

“我们预计今年现金流将持续强劲增长，目标自由现金流为650亿至750亿美元。尽管宏观环境仍不明朗，但我们已经创造了前进的势头。我们相信，我们正在采取的果断措施将使塞拉尼斯能够从最终的经济复苏中获益匪浅。”

– 理查森

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结语

将二氧化碳转化为燃料，是化气候挑战为经济资产创造重大机遇的途径。随着单原子催化剂等创新技术的显著进步，利用二氧化碳生产甲醇的途径也变得更加畅通。₂ 二氧化碳排放正变得比以往任何时候都更具可行性。但当然，要扩大这一解决方案的规模，需要充足的可再生能源、经济高效的氢气生产以及支持性的政策框架。一旦所有这些因素都到位，二氧化碳排放就能得到有效利用。₂ 它有可能从世界面临的最大环境挑战之一转变为最重要的资源之一。

案例

1. Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Xu, L., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D., Bao, X. & Li, C. 单原子铟实现高效CO₂ 氢化制甲醇。自然纳米技术（2026）。 https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Friedlingstein, P.、Le Quéré, C.、O'Sullivan, M.、Hauck, J.、Landschützer, P.、Luijkx, IT、Li, H.、van der Woude, A.、Schwingshackl, C.、Pongratz, J.、Regnier, P.、Andrew, RM、Bakker, DCE、Canadell, JG、Ciais, P.、Gasser, T.、Jones, MW、Lan, X.、Morgan, E.、Olsen, A.、Peters, GP、Peters, W.、Sitch, S. 和 Tian, H. 综合碳预算中新兴气候对碳汇的影响。自然 649, 98–103 (2026)。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5